JP6670840B2 - Imaging optics adapted to the resolution of the human eye - Google Patents

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Description

関連出願の参照
この出願は、共通して譲渡された各々「没入型小型ディスプレイグラス」についての2015年1月21日に出願された米国仮出願No.62/105,905と2015年8月21日に出願された米国仮出願No.62/208,235に基づく優先権を主張する。これらの出願の両方が、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。
REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is a provisional application of U.S. Provisional Application Ser. U.S. Provisional Application No. 62 / 105,905, filed Aug. 21, 2015. Claim priority under 62 / 208,235. Both of these applications are incorporated herein by reference in their entirety.

本出願は、視覚ディスプレイに関し、特には、ヘッドマウント・ディスプレイ技術に関する。 The present application relates to visual displays, and in particular, to head-mounted display technology.

1.引用文献 1. References

“PCT1”と参照される「没入型小型ディスプレイグラス」に関するWO2015/077718(PCT/US2014/067149) WO2015 / 077718 (PCT / US2014 / 067149) on "Immersive small display glasses" referred to as "PCT1"

米国特許出願No.2010/0277575A1by Ismael et al. U.S. Patent Application No. 2010/0277575 A1 by Ismael et al.

米国特許5,390,047 by Mizukawa.
“Dual-lens by Sensics” http:/ /www.roadtovr.com/sensics-ceo-yuval-boger-dual-element-optics-osvr-hdk-vr-headset/ and http:/ /sensics.com/sample-quantities-of-osvr-custom-dual-asphere-optics-available-for-purchase/
U.S. Patent 5,390,047 by Mizukawa.
“Dual-lens by Sensics” http: / /www.roadtovr.com/sensics-ceo-yuval-boger-dual-element-optics-osvr-hdk-vr-headset/ and http: / /sensics.com/sample- quantities-of-osvr-custom-dual-asphere-optics-available-for-purchase /

F. Huang, K. Chen, G. Wetzstein. “The Light Field Stereoscope: Immersive Computer Graphics via Factored Near-Eye Light Field displays with Focus Cues”, ACM SIGGRAPH (Transactions on Graphics 33, 5), 2015. (“Huang 2015”) F. Huang, K. Chen, G. Wetzstein. “The Light Field Stereoscope: Immersive Computer Graphics via Factored Near-Eye Light Field displays with Focus Cues”, ACM SIGGRAPH (Transactions on Graphics 33, 5), 2015. (“Huang 2015 ")

2.定義

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2. Definition
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3.技術水準 3. Technology level

ヘッドマウント・ディスプレイ(HMD(Head Mounted display))技術は、急速に発展している分野である。ヘッドマウント・ディスプレイ技術の一側面が、(仮想現実として説明され得る)完全な没入型視覚環境を提供し、外部環境が視覚的に遮断される間、ユーザーは、1以上のディスプレイにより提供されるイメージのみを観察する。これらの装置は、エンターテインメント、ゲーム、軍事、医療、及び産業といった分野において用途を有する。   Head mounted display (HMD) technology is a rapidly developing field. One aspect of head-mounted display technology provides a fully immersive visual environment (which can be described as virtual reality), where the user is provided by one or more displays while the external environment is visually blocked. Observe only the image. These devices have applications in fields such as entertainment, gaming, military, medical, and industrial.

ヘッドマウント・ディスプレイは、典型的には、1つ又は2つのディスプレイと、これらに対応の光学系であり、ユーザーの目により視覚化される仮想スクリーンにディスプレイらを映す光学系と、外部環境を視覚的に遮断し、先に述べた構成要素の支持構造を提供するヘルメットから構成される。ディスプレイは、また、瞳トラッカー(pupil tracker)及び/又はヘッドトラッカーも有し得、ディスプレイにより提供されるイメージが、ユーザーの動きに応じて変化する。 A head-mounted display is typically one or two displays and their corresponding optics, the optics that project the displays on a virtual screen visualized by the user's eyes, and the external environment. Consists of a helmet that visually blocks and provides support for the components described above. The display may also have a pupil tracker and / or a head tracker, where the image provided by the display changes in response to user movement.

理想的なヘッドマウント・ディスプレイは、高解像度、広い視野、軽くまた良く分配された重量、及び小さな寸法の構造を兼ね備える。幾つかの技術は、首尾良くこれらの望まれる特徴を個別に達成するが、今のところ、これら全てを組み合わせることができる技術は知られていない。これは、ユーザーにとって不完全又はより不快な体験に帰結する。低レベルのリアリズム、眼精疲労(低い解像度又は光学イメージング品質)、没入型環境の生成の失敗(小さい視野)、又はユーザーの頭部への過度な圧力(過剰な重量)が問題に含まれ得る。 An ideal head-mounted display combines high resolution, wide field of view, light and well-distributed weight, and small size construction. Some techniques have successfully achieved these desired features individually, but at present no technique is known that can combine all of these. This results in an incomplete or more unpleasant experience for the user. Problems can include low levels of realism, eye strain (low resolution or optical imaging quality), failure to create an immersive environment (small field of view), or excessive pressure on the user's head (excessive weight) .

没入型仮想現実のための現在の大半のHMDは、一つの大きい16:9デジタル・ディスプレイの半分から放射された光を目に投射するような回転対称面を有する単眼当たり一つの正のレンズを用いる(他方の半分が他方の目のために用いられる)。米国2010/0277575A1には、そのような装置の一例の記述がある。HMDの基本的な光学機能は、米国特許5,390,047に記述のものといったステレオビューアー(stereoviewer)のものである。16:9デジタル・ディスプレイの典型的な寸法は、対角距離で約4〜6インチ(100〜150mm)であり、各目のために用いられるディスプレイ半分は、むしろ8:9のアスペクト比の正方形である。回転対称レンズの光軸が、ディスプレイ半分に対して垂直に設定され、およそディスプレイ半分の幾何中心を通過する。(典型的にはレンズ光軸上に位置付けられる)仮想イメージの中心の焦点距離は、35mm〜45mmに及ぶ。レンズは、典型的には、軸上色及び幾何収差に起因して軸上のフィールドからますます離れるフィールドについてイメージ品質の緩慢な劣化を示す。湾曲について、単レンズの設計は、(デジタル・ディスプレイから仮想スクリーンへ分析される時)典型的には、緩慢な糸巻き湾曲を示す。この湾曲は、仮想スクリーンの周辺のアイピクセルが、正方形ではなく、ラジアル方向(radial direction)において僅かに拡大されるように見える効果も有する。湾曲は、従来、仮想スクリーン上のイメージが湾曲なく見られるようにバレル湾曲を補償してデジタル・ディスプレイのオピクセル上のイメージを示すようにソフトウェアにおいてイメージを事前処理することを必要とする。 Most current HMDs for immersive virtual reality use one positive lens per eye with a rotationally symmetric plane that projects the light emitted from half of one large 16: 9 digital display into the eye. Used (the other half is used for the other eye). US 2010/0277575 A1 describes one example of such a device. The basic optical function of the HMD is that of a stereoviewer, such as that described in US Pat. No. 5,390,047. Typical dimensions of a 16: 9 digital display are about 4-6 inches (100-150 mm) diagonally, and the display halves used for each eye are rather square with an 8: 9 aspect ratio It is. The optical axis of the rotationally symmetric lens is set perpendicular to the display half and passes approximately through the geometric center of the display half. The focal length at the center of the virtual image (typically located on the lens optical axis) ranges from 35 mm to 45 mm. Lenses typically exhibit slow degradation of image quality for fields that are increasingly far from the on-axis field due to on-axis chromatic and geometric aberrations. For curvature, single lens designs typically exhibit slow pincushion curvature (when analyzed from a digital display to a virtual screen). This curvature also has the effect that the eye pixels around the virtual screen appear to be slightly enlarged in the radial direction rather than square. Curvature conventionally requires pre-processing the image in software to compensate for barrel curvature so that the image on the virtual screen is viewed without curving to show the image on an oppixel of a digital display.

「Sensicsによるデュアルレンズ」と呼ばれる先行技術の装置は、1つに代えて単眼当たりに2レンズを用い、軸上色及び幾何収差を校正する。デュアルレンズシステムは、まだ糸巻き湾曲を示すが、単レンズの設計と比べて、90度の視野について直線系(rectilinear)投射からたった13%の偏差であり、35mmの仮想スクリーンの中心上の焦点距離に低減されると主張される。これは、次に、事前処理される時、イメージのより小さな変形を要求し、仮想スクリーンの周辺におけるアイピクセルがラジアル方向において13%だけ拡大されて現れる。本明細書に開示の実施形態も、軸上色及び幾何収差を訂正する2レンズを用いるが、この先行技術とは対照的に、アイピクセルサイズを周辺視野におけるヒトの目の解像度に適合させるため、糸巻き湾曲が非常に強い(また、事前処理で要求される変形も非常に強い)。これにより、我々の光学系は、「Sensicsによるデュアルレンズ」におけるものよりも1.5倍以上である仮想スクリーンの中心上の焦点距離を達成可能であり、また、同一の倍率で仮想スクリーンの中心上のアイピクセルの角度サイズを低減し、仮想スクリーンのピクセレーション(pixelation)を大きく低減する。 A prior art device called "Dual Lens by Sensics" uses two lenses per monocular instead of one to calibrate axial chromatic and geometric aberrations. The dual lens system still shows pincushion curvature, but only 13% deviation from rectilinear projection for a 90 degree field of view, compared to the single lens design, and a focal length over the center of the 35 mm virtual screen Is claimed to be reduced to This, in turn, requires less deformation of the image when pre-processed, and the eye pixels around the virtual screen appear enlarged by 13% in the radial direction. The embodiments disclosed herein also use two lenses that correct for axial chromatic and geometric aberrations, but in contrast to this prior art, to fit the eye pixel size to the resolution of the human eye in the peripheral field. , Very high pincushion curvature (also very strong deformation required in pre-treatment). This allows our optics to achieve a focal length on the center of the virtual screen that is 1.5 times greater than in "Dual Lens by Sensics" and at the same magnification the center of the virtual screen. The angle size of the upper eye pixel is reduced, and the pixelation of the virtual screen is greatly reduced.

本明細書の幾つかの実施形態は、幾つかの小型レンズユニットにより構成される光学系を用いてデジタル・ディスプレイから目に光を投射する。PCT1は、クラスター、オピクセル、及びアイピクセルとしてこれらの実施形態に関連するコンセプトを開示する。図1(PCT1の図3)は、4つのクラスター104t、104b、105t及び105bのみの単純な例を示し、これが、デジタル・ディスプレイ107上のオピクセルにより生成される複合イメージ(compound image)を形成する。オピクセルがマイクロレンズアレイ光学系により投射され、(ここでは簡易化のために矩形輪郭の平坦に描かれている)スクリーン108上にアイピクセルのイメージを形成する。各オピクセルが、一つのクラスターに属する(任意の2つのクラスターの交差部(intersection)が空のセット(empty set)であり、全クラスターの集合が、デジタル・ディスプレイ全体である)。 Some embodiments herein project light from a digital display to the eye using an optical system comprised of several lenslet units. PCT1 discloses concepts related to these embodiments as clusters, oppixels, and eyepixels. FIG. 1 (FIG. 3 of PCT1) shows a simple example of only four clusters 104t, 104b, 105t and 105b, which forms the compound image produced by the pixels on the digital display 107. . O-pixels are projected by the microlens array optics to form an image of an eye pixel on a screen 108 (here depicted with a rectangular outline flat for simplicity). Each oppixel belongs to one cluster (the intersection of any two clusters is an empty set, and the set of all clusters is the entire digital display).

各クラスターは、仮想スクリーン上にイメージの一部を表示する。隣接するクラスターは、一致するあるシフト量でイメージの部分を表示する。イメージの幾つかの部分が一つよりも多くのクラスターに現れる。この必要性を説明するため、2次元の概略図が図1の上部に加えられている。それは、オピクセルとアイピクセルの間の写像のエッジを規定するために関連のある光線を示す。この図においては、アイピクセルの仮想スクリーンが無限位置に置かれ、光線100a、101a、102a及び103aの光線の方向が、仮想スクリーン上のアイピクセルの位置を示す。図面は、簡潔さのために2次元であるが、図1の下部の左にイメージを投射する実際の装置が3次元であり、2つが上で2つが下に置かれた4つの小型レンズを含み、図1の上部の概略図における104及び105で示される2つのみではない。2次元スキームが、オピクセルとアイピクセルの間の写像の水平座標を説明するために用いられ、類似の理由が垂直座標にも当てはまる。 Each cluster displays a portion of the image on a virtual screen. Adjacent clusters display portions of the image with some matching shift amount. Some parts of the image appear in more than one cluster. To illustrate this need, a two-dimensional schematic has been added at the top of FIG. It shows the relevant rays to define the edges of the mapping between the O-pixel and the Eye-pixel. In this figure, the virtual screen of the eye pixel is placed at an infinite position, and the directions of the light rays 100a, 101a, 102a and 103a indicate the position of the eye pixel on the virtual screen. The drawing is two-dimensional for brevity, but the actual device that projects the image to the left at the bottom of FIG. 1 is three-dimensional, with four lenslets, two on top and two on the bottom. And not just the two shown at 104 and 105 in the top schematic of FIG. A two-dimensional scheme is used to describe the horizontal coordinates of the mapping between the oppixel and the eyepixel, and similar reasons apply to the vertical coordinates.

仮想スクリーンの水平範囲が、100aから103aまで延びる。左クラスター104bに表されたイメージの部分が、仮想スクリーン108上に縦線100a及び102aを規定する、瞳孔範囲106のエッジに到達するエッジ光線100a及び102aにより与えられる。類似して、右クラスター105t及び105bに表されるイメージの部分が、仮想スクリーン108上に2つ縦線を規定する、エッジ光線101a及び103aにより与えられる。従って、101aと102aの間の仮想スクリーン108の部分が左右のクラスターの両方に表示される。詳細には、小型レンズ104が、仮想スクリーンのエッジ光線100a及び102aをデジタル・ディスプレイ107上の100b及び102b上にマップ化する。類似して、小型レンズ105が、エッジ光線101a及び103aをデジタル・ディスプレイ107上の101b及び103b上にマップ化する。光学設計は、クラスターが重複しないことを保証しなければならず、これは、101b及び102bが一致するときのデジタル・ディスプレイの最大利用で達成される。下部クラスター104b,105bとの上部クラスター104t、105tの類似のアライメントが図1から明らかである。 The horizontal extent of the virtual screen extends from 100a to 103a. The portion of the image represented in the left cluster 104b is provided by edge rays 100a and 102a arriving at the edge of the pupil region 106 defining vertical lines 100a and 102a on the virtual screen 108. Similarly, portions of the image represented by right clusters 105t and 105b are provided by edge rays 101a and 103a, which define two vertical lines on virtual screen 108. Therefore, the portion of the virtual screen 108 between 101a and 102a is displayed on both the left and right clusters. In particular, a lenslet 104 maps the edge rays 100a and 102a of the virtual screen onto 100b and 102b on the digital display 107. Similarly, lenslet 105 maps edge rays 101a and 103a onto 101b and 103b on digital display 107. The optical design must ensure that the clusters do not overlap, which is achieved with maximum use of the digital display when 101b and 102b coincide. A similar alignment of the upper clusters 104t, 105t with the lower clusters 104b, 105b is evident from FIG.

クラスター上の情報の部分的な一致のため、アイピクセルip1が、4つのオピクセルop11、op12、op13及びop14の投射により形成される。このオピクセルのセットが、アイピクセルip1の「ウェブ」として言及される。ip1といった仮想スクリーンの中央に設けられたアイピクセルのウェブそれぞれには4つのオピクセルが含まれる。しかしながら、仮想スクリーンの境界に近いアイピクセルのウェブが少数のオピクセルを有し得る。例えば、アイピクセルip2のウェブが、たった2つのオピクセルop21及びop22のみを含み、ip3のウェブがop31のみ含む。 Due to the partial matching of the information on the cluster, the eye pixel ip1 is formed by the projection of the four oppixels op11, op12, op13 and op14. This set of oppixels is referred to as the "web" of eye pixel ip1. Each web of eye pixels provided at the center of the virtual screen, such as ip1, includes four oppixels. However, a web of eye pixels near the boundaries of the virtual screen may have a small number of oppixels. For example, the web of eye pixel ip2 contains only two oppixels op21 and op22, and the web of ip3 contains only op31.

本開示の一側面が、リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイ;及び各小型レンズがディスプレイから目位置に光を投射することにより、ディスプレイ上の個別の部分リアルイメージから仮想サブイメージを生成するように設けられた1以上の小型レンズを備える光学系を備えるディスプレイ装置を提供する。サブイメージが結合して目位置から視認可能である仮想イメージを形成する。光学系のラジアル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する仮想イメージの領域においてラジアル角の増加に応じて減少する。 One aspect of the present disclosure is a display operable to generate a real image; and each lenslet projects a virtual sub-image from a separate partial real image on the display by projecting light from the display to an eye position. Provided is a display device comprising an optical system comprising one or more lenslets arranged to generate. The sub-images combine to form a virtual image that is visible from the eye position. The radial focal length of the optical system decreases with increasing radial angle in the region of the virtual image having a radial angle exceeding 20 ° from the front.

別の側面は、リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイ;及び各小型レンズがディスプレイから目位置に光を投射することにより、ディスプレイ上の個別の部分リアルイメージから仮想サブイメージを生成するように設けられた1以上の小型レンズを備える光学系を備えるディスプレイ装置を提供する。サブイメージが結合して目位置から視認可能である仮想イメージを形成する。ディスプレイ装置は、部分仮想イメージを生成するように構成され、その少なくとも一つが、目がその瞳が瞳孔範囲内にある目位置にある時、目によりその目の1.5mmの中心窩(fovea)に投射される中心窩部を有し、仮想サブイメージの中心窩部が、仮想イメージの周辺部よりも高い解像度を有する。 Another aspect is a display operable to generate a real image; and each lenslet generates a virtual sub-image from the individual partial real images on the display by projecting light from the display to an eye position. Provided with an optical system including one or more small lenses provided as described above. The sub-images combine to form a virtual image that is visible from the eye position. The display device is configured to generate a partial virtual image, at least one of which is 1.5 mm fovea by the eye when the eye is at an eye position where the pupil is within the pupil area. And the fovea of the virtual sub-image has a higher resolution than the periphery of the virtual image.

光学系は、自由曲面の小型レンズの有効エリアに亘り変化する焦点距離を有する自由曲面の小型レンズを備えることにより仮想サブイメージを生成するように構成される。 The optical system is configured to generate a virtual sub-image by including a free-form lenslet having a focal length that varies over the effective area of the free-form lenslet.

光学系のラジアル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する仮想イメージの領域においてラジアル角の増加に応じて減少し得る。 The radial focal length of the optical system may decrease with increasing radial angle in regions of the virtual image having a radial angle greater than 20 ° from the front.

光学系のラジアル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する仮想イメージの実質的に全ての点でラジアル角の増加に応じて減少し得る。 The radial focal length of the optical system may decrease with increasing radial angle at substantially all points of the virtual image having a radial angle greater than 20 ° from the front.

光学系のサジタル焦点距離も、前方向から20°を超えるラジアル角を有する仮想イメージの領域においてラジアル角の増加に応じて減少し得る。 The sagittal focal length of the optical system may also decrease with increasing radial angle in regions of the virtual image having a radial angle greater than 20 ° from the front.

光学系のサジタル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する仮想イメージの実質的に全ての点でラジアル角の増加に応じて減少し得る。 The sagittal focal length of the optical system may decrease with increasing radial angle at substantially all points of the virtual image having a radial angle greater than 20 ° from the front.

光学系は、個別の光線が眼球に入射する点で眼球のラジアル方向に2.5°未満の周辺角度で目位置の眼球の瞳孔範囲の部分に光線が入射することにより形成される中心窩部を有する仮想サブイメージを生成するように構成され、サブイメージの中心窩部が、サブイメージの周辺部よりも高い解像度を有する。   The optical system includes a fovea formed by light rays incident on a portion of the pupil region of the eye at the eye position at a peripheral angle of less than 2.5 ° in the radial direction of the eye at the point where the individual light is incident on the eye. And the fovea of the sub-image has a higher resolution than the periphery of the sub-image.

ディスプレイ装置は、仮想サブイメージを生成するように構成され、仮想サブイメージの少なくとも一つは、目がその瞳が瞳孔範囲内にある目位置にある時、目によりその目の1.5mmの中心窩(fovea)に投射される中心窩部を有し、各仮想サブイメージの中心窩部が、仮想サブイメージの周辺部よりも高い解像度を有する。 The display device is configured to generate a virtual sub-image, wherein at least one of the virtual sub-images is centered on the eye by 1.5 mm when the eye is at an eye position whose pupil is within the pupil range. It has a fovea projected into the fovea, with the fovea of each virtual sub-image having a higher resolution than the periphery of the virtual sub-image.

ディスプレイ装置は、目がその瞳が瞳孔範囲内にある目位置にある時に、目の網膜の1.5mmの中心窩(fovea)に目により投射される中心窩仮想サブイメージを少なくとも一つの小型レンズから生成し、また、中心窩(fovea)外の網膜の部分上に目により投射される周辺仮想サブイメージを少なくとも一つの他の小型レンズから生成するように構成され、中心窩部仮想イメージが、周辺部仮想イメージよりも高い解像度を有する。 The display device may include a foveated virtual sub-image projected by the eye into a 1.5 mm fovea of the retina of the eye when the eye is in an eye position where its pupil is within the pupil area, with at least one lenslet. And generating a peripheral virtual sub-image from at least one other lenslet that is projected by the eye onto a portion of the retina outside the fovea, wherein the foveal virtual image comprises: It has a higher resolution than the peripheral virtual image.

ディスプレイ装置は、部分仮想サブイメージを生成するように構成され、部分仮想サブイメージの少なくとも一つは、目がその瞳が瞳孔範囲内にある目位置にある時、目によりその目の1.5mmの中心窩(fovea)に投射される部分を有し、各仮想サブイメージの前記部分が、仮想サブイメージの周辺部よりも高い解像度を有する。 The display device is configured to generate a partial virtual sub-image, wherein at least one of the partial virtual sub-images is at least 1.5 mm from the eye when the eye is at an eye position where the pupil is within the pupil range. And the portion of each virtual sub-image has a higher resolution than the periphery of the virtual sub-image.

少なくとも一つの小型レンズは、目がその瞳が瞳孔範囲内にある目位置にある時に、目の網膜の1.5mmの中心窩(fovea)に目により投射される中心窩部分仮想イメージを生成するように構成された中心窩小型レンズと、中心窩(fovea)外の網膜の部分に目により投射される周辺部分仮想イメージを生成するように構成され外周小型レンズを含み、中心窩部仮想イメージが、周辺部仮想イメージよりも高い解像度を有する。 The at least one lenslet produces a foveated partial virtual image projected by the eye into a 1.5 mm fovea of the retina of the eye when the eye is at an eye position whose pupil is within the pupil area. A foveal lenslet configured to produce a peripheral virtual lens image projected by the eye onto a portion of the retina outside the fovea, wherein the foveal virtual image is Have a higher resolution than the peripheral virtual image.

光学系が、光学的に区別可能な第1サブエレメントの第1リングを有する第1光学素子と、光学的に区別可能な第2及び第3サブエレメントの第2及び第3リングを有する第2光学素子を備え得る。第1リングにおける交互のサブエレメントが、第2リングにおける連続のサブエレメント個別の小型レンズを形成し、第1リングの残部のサブエレメントが、第3リングにおける連続のサブエレメント個別の小型レンズを形成し得る。 An optical system having a first optical element having an optically distinguishable first ring of a first sub-element and a second optical element having optically distinguishable second and third rings of a second and third sub-element; An optical element may be provided. The alternating sub-elements in the first ring form separate lenslets with the continuous sub-elements in the second ring, and the remaining sub-elements of the first ring form the continuous sub-elements and separate lenslets in the third ring Can be formed.

第1及び第2光学素子が、厚レンズの反対面であり得る。 The first and second optical elements may be opposite surfaces of the thick lens.

上述の側面のいずれかに係るディスプレイ装置を備えるヘッドギアも提供され、ディスプレイ装置の目位置がヒトの目に一致するようにヒトの頭部にディスプレイ装置を位置付けるためのマウントを備える。 Also provided is headgear comprising a display device according to any of the above aspects, comprising a mount for positioning the display device on a human head such that the eye position of the display device matches the human eye.

ヘッドギアは、更に、第2ディスプレイ装置の目位置がヒトの第2の目に一致するように実装される第2ディスプレイ装置を備え得る。 The headgear may further comprise a second display device implemented such that the eye position of the second display device matches the second eye of the person.

ヘッドギアの第1ディスプレイ装置と第2ディスプレイ装置が実質的に同一であり得る。例えば、これらが、実質的に同一であるか、又はお互いに鏡像である。 The first display device and the second display device of the headgear may be substantially the same. For example, they are substantially identical or are mirror images of one another.

第1及び第2ディスプレイ装置のディスプレイが単一の物理ディスプレイの部分であり得る。 The displays of the first and second display devices may be part of a single physical display.

上述及び他の側面、特徴及び利益が、次の図面と一緒に提示されるある実施形態のより具体的な次の記述から明らかになる。 The above and other aspects, features and benefits will become apparent from the following more particular description of certain embodiments, presented in conjunction with the following drawings.

図1は、アイピクセルからオピクセルへの写像の概略図である(先行技術)。FIG. 1 is a schematic diagram of the mapping from eye pixels to oppixels (prior art).

図2は、周辺角度(peripheral angle)の関数として典型的なヒトの目の角度解像度(angular resolution)を示す。FIG. 2 shows the typical human eye angular resolution as a function of peripheral angle.

図3は、3つの異なる実施形態の写像関数である。リニア、直線系(rectilinear)、適合写像が示される。FIG. 3 is a mapping function of three different embodiments. Linear, rectilinear, and adaptive maps are shown.

図4は、図3と同一の3つの実施形態についてのラジアル方向の焦点距離の分布(radial focal length distribution)である。FIG. 4 shows radial focal length distributions for the same three embodiments as FIG.

図5は、図3及び図4に与えられた適合写像及びラジアル方向の焦点距離値を提供する2レンズの設計の等角投影図である。FIG. 5 is an isometric view of a two-lens design providing the adaptive mapping and radial focal length values given in FIGS.

図6Aは、図5に示された2レンズの適合設計の2次元断面である。異なるアイピクセルの逆光線がプロットされ、目の中心から変位した創作的な瞳からディスプレイに向けて進む。FIG. 6A is a two-dimensional cross section of the two-lens adaptation design shown in FIG. Back rays of different eye pixels are plotted and travel toward the display from the creative pupil displaced from the center of the eye.

図6Bは、同一の2次元断面であるが、目が前方向を注視する時、瞳により取得されるものに対応する光線が示される。FIG. 6B shows the same two-dimensional cross section, but the rays corresponding to those acquired by the pupil when the eye gazes forward.

図7Aは、眼球と、オピクセルからアイピクセルへの圧縮された(squeezed)写像を実行する2つの光学装置を見ることができる実施形態の概略的な等角投影図である。FIG. 7A is a schematic isometric view of an embodiment in which the eye and two optics performing a squeezed mapping from oppixels to eyepixels can be seen.

図7Bは、図7Aからの2つの光学装置の概略的な前面図である。FIG. 7B is a schematic front view of the two optical devices from FIG. 7A.

図8は、図7A及び図7Bからの一つの見込みの実施形態の断面である。FIG. 8 is a cross section of one possible embodiment from FIGS. 7A and 7B.

図9は、回転及び自由曲面適合実施形態と比較されるリニア写像の写像関数である。FIG. 9 is a mapping function of a linear mapping compared to a rotation and freeform fit embodiment.

ヒトの視覚解像度は、(直径1.5mm程である)中心窩(fovea)に映されるシーン部分で最高であり、その部分から離れるに応じて急速に低下する。図2は、(J.J. Kerr, “Visual resolution in the periphery”, Perception & Psychophysics, Vol. 9 (3), 1971による)周辺角度(peripheral angle)の関数として典型的なヒトの目の角度解像度(角度分解能(angular resolution))を示す。もし注視ベクトル上に極がある球状角座標系が検討されるならば(従って、周辺角度が極角度に一致する)、角度解像度が方位(アジマス(azimuth))に依存しない。更には、ヒトの視覚解像度は、およそ等方性であり、これは、2点源を区別する能力が、2点源を結ぶ線の配向に依存しないことを意味する。 Human visual resolution is highest in the part of the scene that is imaged in the fovea (of the order of 1.5 mm in diameter) and decreases rapidly as one moves away from that part. FIG. 2 shows the typical human eye angular resolution (angle) as a function of peripheral angle (according to JJ Kerr, “Visual resolution in the periphery”, Perception & Psychophysics, Vol. 9 (3), 1971). (Angular resolution). If a spherical coordinate system with poles on the gaze vector is considered (thus, the peripheral angle corresponds to the polar angle), the angular resolution does not depend on azimuth (azimuth). Furthermore, the human visual resolution is approximately isotropic, meaning that the ability to distinguish between two point sources does not depend on the orientation of the line connecting the two points.

ヒトの目の解像度が、注視方向の近くよりも周辺視野においてかなり粗いため、我々は、本明細書の実施形態のいずれかの設計条件(焦点距離と仮想スクリーンに亘るイメージ品質)を光学系に適合でき、(目がそれを享受しないために)仮想スクリーンのアイピクセルが厳密に必要とされるものよりも精密ではない。 Because the resolution of the human eye is much coarser in the peripheral field of vision than near the gaze direction, we apply the design conditions (focal length and image quality across the virtual screen) of any of the embodiments herein to the optics. It can be adapted and the eye pixels of the virtual screen are less precise than exactly required (because the eyes do not enjoy it).

オピクセルからアイピクセルへの倍率(magnification)を固定する仮想スクリーンに亘る焦点距離を採用することにより、我々は、仮想スクリーンの注視領域においてアイピクセルのサイズを小さくし、仮想スクリーンの外側領域において大きくする。これにより、(オピクセルの全数が等しいため)仮想スクリーンの注視領域におけるアイピクセルが、一定のピクセルサイズのシステムよりも小さくなり、従って、残部を効果的に劣化させることなく仮想イメージのその領域の解像度を向上させる。ヒトの脳が、周辺エリアにおいて低下した解像度を感知しないためである。ヒトの解像度が等方性であるため、最適な設計のため、アイピクセルのサイズの制御が2次元で為されなければならない。 By employing a focal length across the virtual screen that fixes the magnification from oppixel to eye pixel, we reduce the size of the eye pixel in the gaze area of the virtual screen and increase it in the outer area of the virtual screen. . This makes the eye pixels in the gaze area of the virtual screen smaller (because the total number of oppixels is equal) than in a fixed pixel size system, and therefore the resolution of that area of the virtual image without effectively degrading the rest Improve. This is because the human brain does not sense the reduced resolution in the surrounding area. Because human resolution is isotropic, the control of eye pixel size must be done in two dimensions for optimal design.

仮想スクリーンに亘りイメージ品質を適合させるため、我々は、アイピクセルが光学系によりおよそ等しく解像される(equally resolved)構成を達成できる。任意のあるアイピクセルについて、所望のイメージ品質が、瞳孔範囲内の瞳の位置に依存し、そのアイピクセルに関する周辺角度がその最小値である瞳孔位置についての最悪の場合のために適合(adaptation)が為されるべきことに留意されたい。変調伝達関数(Modulation Transfer Function(MTF))に関して、この適合は、その最悪の瞳位置についてアイピクセルのナイキスト周波数でMTFの値が理想的には仮想スクリーンに亘っておよそ等しいべきであることを意味する。代替として、スポットの幾何サイズに関して、最悪の瞳位置についてのアイピクセルのサイズに対する仮想スクリーンでのスポットの角度二乗平均根(rms)直径(angular rms diameter)の比が、理想的には仮想スクリーンに亘りおよそ等しいべきである。もし光学系が、(目から仮想スクリーンの点に向けて、ディスプレイに到達するまで)反対方向に光線追跡されるならば、光学品質のこの適合は、(焦点距離が変化するが)最悪の瞳位置についてのオピクセルのサイズに対するデジタル・ディスプレイでのスポットのrms直径の比率が理想的にはディスプレイに亘っておよそ等しいべきであることを意味する。 To match the image quality across the virtual screen, we can achieve a configuration where the eye pixels are approximately equally resolved by the optics. For any given eye pixel, the desired image quality depends on the position of the pupil within the pupil range and adaptation for the worst case for a pupil position whose peripheral angle for that eye pixel is at its minimum. Note that this must be done. With respect to the Modulation Transfer Function (MTF), this fit means that the MTF value at the Nyquist frequency of the eye pixel for its worst pupil position should ideally be approximately equal across the virtual screen. I do. Alternatively, with respect to the geometric size of the spot, the ratio of the angular rms diameter of the spot on the virtual screen to the size of the eye pixel for the worst pupil position is ideally reduced to the virtual screen. Should be approximately equal over time. If the optical system is ray-traced in the opposite direction (from the eye to the point of the virtual screen and reaches the display), this adaptation of the optical quality will result in the worst pupil (although the focal length will change). This means that the ratio of the rms diameter of the spot on the digital display to the size of the sub-pixel for the position should ideally be approximately equal across the display.

PCT1(65頁の段落0309参照)において、イメージ品質がヒトの視覚のものに適合される光学設計のアイデアが導入されたが、焦点距離の適合(adaptation)が、一次元(one dimension)と、端部周辺角度(extreme peripheral angles)のみに限定されていた。本明細書では、我々は、イメージ品質だけを一致させるのではなく、1及び2次元において、仮想スクリーンの外側領域の全体について適合焦点距離(adaptation focal length)を一致するように適合を更に発展させる。 PCT1 (see paragraph 0309 on page 65) introduced the idea of an optical design in which the image quality was adapted to that of human vision, but the adaptation of the focal length was one dimension, It was limited to the extreme peripheral angles only. Here, we do not only match the image quality, but further develop the adaptation to match the adaptation focal length for the entire outer area of the virtual screen in one and two dimensions. .

セクション5は、ラジアル方向においてアイピクセルのサイズを制御することだけである回転対称光学系の実施形態を記述し、セクション6は、2次元においてアイピクセルのサイズを制御する自由曲面(つまり、回転対称性を有しない)光学系を有する実施形態を記述する。 Section 5 describes an embodiment of a rotationally symmetric optical system that only controls the size of the eye pixel in the radial direction, and Section 6 describes a free-form surface (ie, rotationally symmetric) that controls the size of the eye pixel in two dimensions. An embodiment having an optical system (having no optical power) will be described.

4. 写像関数及び焦点距離 4. Mapping function and focal length

本明細書に開示の実施形態の説明をより明確にするため、写像関数及び焦点距離の正式な定義が次に記述される。(ρ,φ)をデジタル・ディスプレイ上の点rの極座標とし、

Figure 0006670840
を、各々、仮想スクリーンの球座標の極及び方位角(azimuthal angles)とする。
Figure 0006670840
の方向が水平ラインを規定し、θ=0が前方向と呼ばれる。関数
Figure 0006670840
が写像関数と呼ばれる。逆写像関数が、
Figure 0006670840
により与えられる。 To further clarify the description of the embodiments disclosed herein, formal definitions of mapping functions and focal lengths will now be described. Let (ρ, φ) be the polar coordinates of point r on the digital display,
Figure 0006670840
Are the polar and azimuthal angles of the spherical coordinates of the virtual screen, respectively.
Figure 0006670840
Defines the horizontal line, and θ = 0 is called the forward direction. function
Figure 0006670840
Is called a mapping function. The inverse mapping function is
Figure 0006670840
Given by

仮想スクリーン方向

Figure 0006670840
のラジアル焦点距離(radial focal length)frad
Figure 0006670840
と記載される。サジタル焦点距離が
Figure 0006670840
である。ラジアル又はサジタルとは異なる他の方向について、焦点距離が、
Figure 0006670840
により与えられ、ここで、αは、ラジアル方向と焦点距離が計算される方向により形成される角度である。焦点距離は、特定の方向における写像の膨張(expansion)又は収縮(shrinking)を意味する。物体とイメージの間の写像が等角(conformal)である時、
Figure 0006670840
がαから独立し、これは、写像の膨張又は収縮が等方性(isotropic)であると言うに等しい。対応のオピクセルが仮想イメージ上で光学系を通じて見られる時の方向α沿いのアイピクセルの角度範囲は、焦点距離上の物理的なオピクセルの直径であり、すなわち、
Figure 0006670840
である。従って、方向αにおけるアイピクセルのサイズは、焦点距離
Figure 0006670840
に逆比例する(簡潔さのため、円形のオピクセルが本明細書で検討されるが、この理由は、通常の正方形のオピクセルに簡単に拡張可能である)。ヒトの目の解像度が、周辺角度(peripheral angle)に依存するが、より良好な近似において(in good approximation)等方性であり、解像度が評価される方向αに依存しない。アイピクセルの角度範囲がαとは無関係であることが望ましい(さもなければ、解像度が、最大角直径(the greatest angular diameter)により与えられる)。オピクセルの直径が、一般的に、非常にαと一定であり、従って、αとは独立した
Figure 0006670840
が、一般的に望まれる。 Virtual screen direction
Figure 0006670840
The radial focal length f rad of
Figure 0006670840
It is described. Sagittal focal length
Figure 0006670840
It is. For other directions different from radial or sagittal, the focal length is
Figure 0006670840
Where α is the angle formed by the radial direction and the direction in which the focal length is calculated. Focal length refers to the expansion or shrinking of a map in a particular direction. When the mapping between the object and the image is conformal,
Figure 0006670840
Is independent of α, which is equivalent to saying that the expansion or contraction of the map is isotropic. The angular extent of the eye pixel along direction α when the corresponding oppixel is viewed through the optical system on the virtual image is the diameter of the physical oppixel at the focal length, i.e.,
Figure 0006670840
It is. Thus, the size of the eye pixel in direction α is the focal length
Figure 0006670840
(For simplicity, circular oppixels are considered herein, but the reason is easily scalable to regular square oppixels). The resolution of the human eye depends on the peripheral angle but is isotropic in better approximation and does not depend on the direction α in which the resolution is evaluated. It is desirable that the angular range of the eye pixel be independent of α (otherwise the resolution is given by the greatest angular diameter). The diameter of the oppixel is generally very constant at α and therefore independent of α
Figure 0006670840
Is generally desired.

ここで、我々が、回転対称光学イメージングシステムを有すると仮定し、そこでは、対称軸が方向θ=0であり、この方向が、ρ=0の点のデジタル・ディスプレイ上に映される。回転対称性のため、写像関数は、ρのみがθに依存する、即ち、

Figure 0006670840
である。ラジアル焦点距離は、
Figure 0006670840
であり、サジタル焦点距離は、
Figure 0006670840
である。 Now, suppose we have a rotationally symmetric optical imaging system, where the axis of symmetry is the direction θ = 0, and this direction is projected on the digital display at the point ρ = 0. Due to rotational symmetry, the mapping function is that only ρ depends on θ, ie,
Figure 0006670840
It is. The radial focal length is
Figure 0006670840
And the sagittal focal length is
Figure 0006670840
It is.

イメージング光学系の標準の光学系の写像は、直線系(rectilinear)投射であり、ρ(θ)=ftanθであり、ここで、fは、θ=0(仮想スクリーンの中心)でただfrad=fsagに等しい定数である。ラジアル及びサジタル焦点距離が

Figure 0006670840
に一致し、θの増加関数である。周辺においてより大きいアイピクセルに代えて直線系(rectilinear)写像が用いられるならば、視野の周辺に向けてアイピクセルを次第に小さくする。仮想スクリーンの注視領域(θ=20°)のエッジで、アイピクセルは、θ=0よりも6%だけ小さく、100°の視野(θ=50°)のエッジで、θ=0よりも35%だけ小さい。先に述べたように、実際に目がこれらのエッジピクセルを注視しないため、これは有用ではない。 The mapping of the standard optics of the imaging optics is a rectilinear projection, ρ (θ) = ftan θ, where f is θ = 0 (center of the virtual screen) and only f rad = It is a constant equal to f sag . Radial and sagittal focal length
Figure 0006670840
And is an increasing function of θ. If a rectilinear mapping is used instead of larger eye pixels at the periphery, the eye pixels are progressively smaller toward the periphery of the field of view. At the edge of the gaze area (θ = 20 °) of the virtual screen, the eye pixel is 6% smaller than θ = 0, and at the edge of the 100 ° field of view (θ = 50 °), 35% than θ = 0. Only small. This is not useful because, as mentioned earlier, the eye does not actually gaze at these edge pixels.

単レンズのHMDが直線系(rectilinear)写像から通常逸脱し、幾つかの糸巻き湾曲を提示し、リニア写像ρ(θ)=fθ(ここで、繰り返しになるが、fは、θ=0、仮想スクリーンの中心でfrad=fsagに等しい定数である)に近い。この写像関数について、全θと増加関数である

Figure 0006670840
この写像において、アイピクセルが、直線系(rectilinear)写像よりも小さく増大するが、θ=45°で、θ=0のアイピクセルのラジアル方向に等しく、θ=0のアイピクセルよりもサジタル方向において11%小さい。従って、まだ、光学系は、我々の視覚が増加を検知することなくθ>20°からアイピクセルが漸増できる事実を上手く利用していない。 The HMD of a single lens usually deviates from a rectilinear mapping, presents some pincushion curvature, and a linear mapping ρ (θ) = fθ (where again, where f = 0, virtual At the center of the screen, which is a constant equal to f rad = fsag ). For this mapping function, the total θ and the increasing function
Figure 0006670840
In this mapping, the eye pixel grows smaller than the rectilinear mapping, but at θ = 45 °, which is equal to the radial direction of the eye pixel at θ = 0 and more sagittal than the eye pixel at θ = 0. 11% smaller. Thus, the optics have yet to take advantage of the fact that our vision can gradually increase the eye pixels from θ> 20 ° without detecting the increase.

6.回転対称光学系の実施形態 6. Embodiment of rotationally symmetric optical system

本明細書では、我々は、ラジアル焦点距離fradが仮想スクリーンの注視領域外でθに応じておよそ一定に傾斜する減少関数である回転対称光学系を提示し、アイピクセルは、少なくとも、そこでラジアル方向に顕著に増大し、焦点距離がより良くヒトの目の解像度に適合されることを示す。更には、光学系におけるイメージ品質も目の解像度に概ね適合される。 Here we present a rotationally symmetric optical system in which the radial focal length f rad is a decreasing function that slopes approximately constant as a function of θ outside the gaze area of the virtual screen, where the eye pixel at least Significantly increased in the direction, indicating that the focal length is better adapted to the resolution of the human eye. Furthermore, the image quality in the optical system is also generally adapted to the eye resolution.

図3は、直線系(rectilinear)写像302とリニア写像303の写像関数と共に、選択された適合された実施形態301の写像関数ρ=ρ(θ)のグラフを示す。これら全てが、100°の同一の視野及び同一の、5.7”、直径145mm、16:9アスペクト比デジタル・ディスプレイで作動可能であるように設計される。ディスプレイの片半分が各目のために用いられ、ディスプレイの半分中心(レンズの光軸が通過する)からエッジの近い点までの距離が、約32mmである。 FIG. 3 shows a graph of the mapping function ρ = ρ (θ) of the selected adapted embodiment 301, along with the mapping functions of the rectilinear mapping 302 and the linear mapping 303. All of these are designed to work with the same 100 ° field of view and the same 5.7 ″, 145 mm diameter, 16: 9 aspect ratio digital display. One half of the display is for each eye. And the distance from the center of the display (where the optical axis of the lens passes) to a point near the edge is about 32 mm.

図3における3つの曲線は、仮想スクリーンの中心(光学系の軸上フィールド)に対応する原点(θ=0、ρ=0)を通過し、点(θend=50°,ρend=32mm)で終端する。直線系(rectilinear)写像302は、全角度についてリニア写像303よりも低いが、適合設計の曲線301は、リニア写像303よりも上である。結果として、曲線301は、リニア写像曲線303に生じるものと対照的に、比ρendendよりも高い導関数(derivative)で原点で開始するが、比ρendendよりも小さい導関数で点ρendendで終端する。これらの導関数がただラジアル焦点距離であるため(横座標(abscisaa)がラジアン単位(in units of radians)で表現される時)、これは、周辺でラジアル焦点距離を小さくすることにより(つまり、ラジアル方向(radially)でより大きいアイピクセル)、301は、302及び303よりも仮想スクリーンの中心でより大きい焦点距離(すなわち、より小さいアイピクセル)を持つことを意味する。 The three curves in FIG. 3 pass through the origin (θ = 0, ρ = 0) corresponding to the center of the virtual screen (on-axis field of the optical system), and pass through the point (θ end = 50 °, ρ end = 32 mm). Terminate with The rectilinear mapping 302 is lower than the linear mapping 303 for all angles, but the curve 301 of the adapted design is above the linear mapping 303. As a result, curve 301 starts at the origin with a derivative higher than the ratio ρ end / θ end , as opposed to what occurs in linear mapping curve 303, but has a derivative that is smaller than the ratio ρ end / θ end. The function ends at points ρ end and θ end . Because these derivatives are simply radial focal lengths (when the abscissas are expressed in units of radians), this is achieved by reducing the radial focal length around the periphery (ie, A radially larger eye pixel (301) means having a larger focal length (ie, a smaller eye pixel) at the center of the virtual screen than 302 and 303.

図4は、4つの写像に対応するラジアル焦点距離を有するグラフを示す:401が適合実施形態に対応し、402及び403が、各々、直線系(rectilinear)及びリニア写像に対応する。図3における曲線301,302及び303が、同一の端点を共有し、また図4の曲線が図3の曲線の導関数であるため、横軸とθ=0とθ=50°のラインといずれかの曲線401,402及び403により閉じられる面積が同一である。 FIG. 4 shows a graph with radial focal lengths corresponding to the four mappings: 401 corresponds to the adapted embodiment, and 402 and 403 correspond to rectilinear and linear mapping, respectively. Since the curves 301, 302 and 303 in FIG. 3 share the same endpoint and the curve in FIG. 4 is a derivative of the curve in FIG. 3, either the horizontal axis or the line at θ = 0 and θ = 50 ° The areas closed by the curves 401, 402 and 403 are the same.

比較として、表1と表2は、2560×1440オピクセルディスプレイを想定し(オピクセルピッチ=50ミクロン)、各々、幾つかのパラメーターの仮想スクリーンの中心とエッジの値を示す。選択されたパラメーターは、焦点距離、アイピクセルの角度サイズ、アイピクセル密度(角度当たりのアイピクセル数)、及び仮想スクリーン上のナイキスト周波数(アイピクセルのオン−オフ周波数の角周波数である)である。 By way of comparison, Tables 1 and 2 assume a 2560 × 1440 Opixel display (Opixel pitch = 50 microns) and show the center and edge values of the virtual screen for several parameters, respectively. The parameters selected are focal length, eye pixel angle size, eye pixel density (number of eye pixels per angle), and Nyquist frequency on the virtual screen (the angular frequency of the on-off frequency of the eye pixels). .

表1によれば、仮想スクリーンの中心(θ=0)で、適合実施形態のアイピクセルのサイズが、3分(arcmin)であり、リニアの場合よりも約1.5倍小さく、直線系(rectilinear)の場合のものよりも2倍超だけ小さい。不幸にも、2560×1440オピクセルのデジタル・ディスプレイでは、3分(arcmin)のアイピクセルが、(ヒトの目が、図2に示唆されるように、2分(arcmin)を解像するため)依然として区別可能であるが、他の2つの写像よりも小さい程度で識別される。 According to Table 1, at the center of the virtual screen (θ = 0), the eye pixel size of the adapted embodiment is 3 minutes (arcmin), about 1.5 times smaller than the linear case, rectilinear) by more than twice. Unfortunately, in a 2560 × 1440 operapixel digital display, a 3 minute (arcmin) eye pixel is required (because the human eye resolves 2 minute (arcmin) as suggested in FIG. 2). Although still distinguishable, they are identified to a lesser extent than the other two mappings.

表2によれば、仮想スクリーンのエッジでは(θend=50°)、適合実施形態におけるアイピクセルのラジアルサイズが、28分(arcmin)であり、リニアの場合よりも約6倍大きく、直線系(rectilinear)の場合よりも7倍大きい。28分(arcmin)が高い値に見えるが、目が前方向を注視し、周辺角度が50°の時、ヒトの視野の解像度の限界が50分(arcmin)であり(図2参照)、解像度の粗化が見られない。しかしながら、選択された設計条件は、目が前方向を見る時のものではなく、目が、θ=20°、仮想スクリーンの通常の注視領域のエッジまで回転する時のものである。次に、周辺角度が、50−20=30°であり、図2に従い、ヒトの視覚の解像度は、30分(arcmin)であり、適合実施形態における28分(arcmin)に近い。 According to Table 2, at the edge of the virtual screen (θ end = 50 °), the radial size of the eye pixel in the adapted embodiment is 28 minutes (arcmin), about 6 times larger than the linear case, (Rectilinear) 7 times larger. Although 28 minutes (arcmin) appears to be a high value, when the eye gazes forward and the peripheral angle is 50 °, the resolution limit of the human visual field is 50 minutes (arcmin) (see FIG. 2). No roughening is observed. However, the selected design condition is not when the eye looks forward, but when the eye rotates to θ = 20 ° and to the edge of the normal viewing area of the virtual screen. Next, the peripheral angle is 50-20 = 30 °, and according to FIG. 2, the resolution of human vision is 30 minutes (arcmin), which is close to 28 minutes (arcmin) in the adapted embodiment.

Figure 0006670840
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サジタル焦点距離

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(図4では不図示)は、この回転対称設計においてラジアル焦点距離ほど低減されない。特には、仮想スクリーンのエッジfsagend/cosθend=41mmで、周辺領域におけるアイピクセルが、この適合設計においてラジアル方向に大きく長尺にされる。セクション7で開示のように、両方の焦点距離がより近い値を取ることができるため、回転対称性を打破することだけが、適合された解像度の全利益を享受できる。 Sagittal focal length
Figure 0006670840
(Not shown in FIG. 4) is not reduced as much as the radial focal length in this rotationally symmetric design. In particular, at the edge f sag = ρ end / cos θ end = 41 mm of the virtual screen, the eye pixels in the peripheral area are largely elongated in the radial direction in this adaptive design. Since both focal lengths can take closer values, as disclosed in Section 7, only breaking the rotational symmetry can enjoy the full benefit of the adapted resolution.

非球面の数が十分であるとすれば(好適には4以上)、適合写像曲線301は、複数の回転対称光学面を用いる光学系で実現可能である。面の数が増加する時、自由度が高くなり、適合がより良く達成され、他方、より少数の面の設計は、より限定された光学特性を持ち、従って、写像301の明確な傾斜が少ない。 Assuming that the number of aspheric surfaces is sufficient (preferably four or more), the adaptive mapping curve 301 can be realized by an optical system using a plurality of rotationally symmetric optical surfaces. As the number of surfaces increases, the degrees of freedom increase and the fit is better achieved, while the design of fewer surfaces has more limited optical properties, and therefore, less sharp tilt of the mapping 301 .

本明細書は、特定の光学構成に限定されないが、2レンズの特定の例が次に開示される。図5は、適合写像と図3及び図4に与えられたラジアル焦点距離値を提供する2レンズ設計の斜視図を示す。屈折レンズ503及び504から構成される個別のレンズペアが、各目501とディスプレイ502の間に配置される。(中心線505で分割された)ディスプレイの各半分が片方の目と作動する。この設計で用いられる16:9ディスプレイの特定の寸法(5.7”、145mm、対角線)のため、平均の標準の瞳間距離についての各目の中心が、ディスプレイ506の個別の半分の中心に位置合わせされる。 Although the specification is not limited to a particular optical configuration, a particular example of a two lens will now be disclosed. FIG. 5 shows a perspective view of a two-lens design providing the adaptive mapping and the radial focal length values given in FIGS. A separate lens pair consisting of refractive lenses 503 and 504 is located between each eye 501 and the display 502. Each half of the display (divided by the center line 505) works with one eye. Due to the particular dimensions (5.7 ", 145 mm, diagonal) of the 16: 9 display used in this design, the center of each eye for the average standard interpupillary distance is centered on a separate half of the display 506. Aligned.

図6Aは、2レンズ適合設計の2次元断面であり、目601のプロファイル、ディスプレイ602、及び両方のレンズ603及び604を示す。異なるアイピクセルについての逆光線がプロットされ、概念的な瞳605(幾何を簡単にするために目の中心から変位される)からディスプレイに出発し、異なるアイピクセルについての異なるオピクセルに入射する。この瞳605により、目が回転される間に注視される時のアイピクセルの特性をシミュレーションすることができ、これらの注視されたアイピクセルは、従って、その特性が最高であるべきアイピクセルである。図6Aの場合についての光線追跡シミュレーション結果は、目がアイピクセルを注視する時、ディスプレイに入射する逆光線の他波長rmsスポット径が、仮想スクリーンの通常の注視領域の範囲であるθ=0〜θ=20°について10〜50ミクロンの範囲である(すなわち、先の例の50ミクロンのオピクセルピッチよりも小さい)。 FIG. 6A is a two-dimensional cross section of a two-lens fit design, showing the profile of the eye 601, the display 602, and both lenses 603 and 604. Back rays for different eye pixels are plotted, starting from the conceptual pupil 605 (which is displaced from the center of the eye for simplicity of geometry) to the display and impinging on different oppixels for different eye pixels. This pupil 605 allows one to simulate the properties of the eye pixels as they are gazed while the eyes are rotated, and these gazed eye pixels are therefore the eye pixels whose properties should be the highest . The ray tracing simulation result for the case of FIG. 6A shows that when the eye gazes at the eye pixel, the other wavelength rms spot diameter of the back ray incident on the display is in the range of the normal gaze area of the virtual screen, θ = 0 to θ. = 20 ° range for 20 ° (ie, less than the 50 micron pixel pitch in the previous example).

図6Bは、同一の2次元断面であるが、示された光線は、目が前方向を注視する時、瞳により取得されるものに対応する。ヒトの目の解像度が低下することにより許容されるように、周辺角度が増加する時、これらの光線のイメージ品質が累進的に(progressively)緩和され得る。 FIG. 6B is the same two-dimensional cross section, but the rays shown correspond to those acquired by the pupil when the eye gazes forward. As the peripheral angle increases, the image quality of these rays can be progressively relaxed, as allowed by the reduced resolution of the human eye.

図6A及び6Bから分かるように、(良好な照明においてたったの約3mmの典型的な直径を持つ)実際の瞳が、光線が眼球に入射する点(the point where the ray meets the eye sphere)にある時のみ、どの光線も目に入射する。光線が眼球に入射する点で光線が眼球601に対しておよそ放射上にある(radial to)であるならば、光線が中心窩(fovea)に到達する。光線が眼球に入射する点で光線が眼球に傾斜する(oblique to)ならば、インパクトの光線が、周辺の網膜に到達する。注視方向がおよそ瞳中心を通過する半径(radius)であるため、約2.5度の周辺角度に対応する約2.5度の入射角は、中心窩(fovea)光線の限界として理解され得る。図6Aにおける「仮想瞳」605に入射する光線を参照。注視が変化すれば、瞳が動き、新しい瞳位置に到達する異なる光束が目に入射し、同一の検討が異なる光束について適用可能である。従って、レンズ603、604の光学系のイメージ品質がほぼ半径の光線(nearly radial rays)について最大であることを確保することにより、注視方向の動きを追跡することなく、また、光学系又はリアルイメージをディスプレイ602に能動的に適合させることなく、最高のイメージ精細度(image definition)が常に中心窩(fovea)に投射されることが確保される。 As can be seen from FIGS. 6A and 6B, the actual pupil (having a typical diameter of only about 3 mm in good illumination) is at the point where the ray meets the ray sphere. Only at certain times does any ray enter the eye. If the ray is approximately radial to the eyeball 601 at the point where the ray enters the eye, the ray will reach the fovea. If the ray obliques to the eyeball at the point where the ray enters the eyeball, the impact ray reaches the surrounding retina. Since the gaze direction is approximately the radius passing through the center of the pupil, an angle of incidence of about 2.5 degrees, corresponding to a peripheral angle of about 2.5 degrees, can be understood as the limit of fovea rays. . See the light rays incident on “virtual pupil” 605 in FIG. 6A. If the gaze changes, the pupil moves and a different beam reaching the new pupil position is incident on the eye, and the same considerations are applicable for different beams. Thus, by ensuring that the image quality of the optics of the lenses 603, 604 is maximal for near radial rays, it is not necessary to track the gaze direction movement and to achieve the optics or real image Without actively adapting to the display 602, it is ensured that the highest image definition is always projected into the fovea.

図6A及び6Bに示されるように、同一のオピクセルからの異なる光線がレンズ603、604の異なる点を通過し、目601の瞳孔範囲の異なる部分に到達する。各光線が眼球601に入射する入射角が、光線が眼球601に入射する点により緊密に依存し、光線がレンズ603、604の光学面に入射する点にもより緊密に関係される。レンズ603,604の適切な設計により、従って、各光線についてのイメージ品質が、光線が眼球に入射する入射角に高度に相関され、従って、中心窩(fovea)光線が鮮明な焦点(sharp focus)のために抽出(singled out)され得る。特には、図6Bに良く見られるように、大半の周辺光線が、レンズ603の外側部分を通過し、これは、従って、最低のイメージ品質で形状付けられ得る。 As shown in FIGS. 6A and 6B, different light rays from the same oppixel pass through different points of the lenses 603, 604 and reach different parts of the pupil range of the eye 601. The angle of incidence at which each ray enters the eyeball 601 depends more closely on the point at which the ray enters the eyeball 601, and is more closely related to the point at which the ray enters the optical surfaces of the lenses 603, 604. With proper design of the lenses 603, 604, the image quality for each ray is therefore highly correlated to the angle of incidence at which the ray is incident on the eye, so that the fovea rays are sharply focused. Can be singled out. In particular, as best seen in FIG. 6B, most of the marginal rays pass through the outer portion of lens 603, which can therefore be shaped with the lowest image quality.

レンズの軸対称非球面のプロファイルが、次の標準式により上手く適合される。

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ここで、a0は、(ディスプレイから測定される)光軸に沿う頂点位置(vertex position)であり、kは、円錐定数、δ=1/R、R頂点での半径、g2i+4は、フォーブスQ−con多項式Qi conの係数である(Forbes, Shape specification for axially symmetric optical surfaces, Optics Express, Vol. 15, Issue 8, pp. 5218-5226 (2007))。例えば、図6Aのレンズに対するこのフィッティングパラメータの具体的な値について、k次元とmm-1におけるδを除く全てが、mmにおいて、次の表3に示されており、ここで、表面は、ディスプレイから目への光線の伝播におけるそこへの入射順においてS1〜S4として順序付けられる。目が前方向を注視しているときのディスプレイから瞳までの距離は64.94mmである。座標のz軸は、目からディスプレイに向いており、原点は、z軸とディスプレイの交点にある。レンズ材料は、レンズ604ではポリメチルメタクリレート(PMMA)、レンズ603ではポリスチレン(PS)である。
Figure 0006670840
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The profile of the axisymmetric aspheric surface of the lens is well fitted by the following standard formula:
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Where a 0 is the vertex position along the optical axis (measured from the display), k is the conic constant, δ = 1 / R, radius at the R vertex, g 2i + 4 is a coefficient of Forbes Q-con polynomial Q i con (Forbes, Shape specification for axially symmetric optical surfaces, Optics Express, Vol. 15, Issue 8, pp. 5218-5226 (2007)). For example, for specific values of this fitting parameter for the lens of FIG. 6A, all but k-dimensions and δ in mm −1 are shown in Table 3 below in mm, where the surface is the display Are ordered as S1 to S4 in the order of incidence there upon in the propagation of light rays from to the eye. The distance from the display to the pupil when the eye gazes forward is 64.94 mm. The z-axis of the coordinates points from the eye to the display, and the origin is at the intersection of the z-axis and the display. The lens material is polymethyl methacrylate (PMMA) for the lens 604, and polystyrene (PS) for the lens 603.
Figure 0006670840
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7. 自由曲面光学系の実施形態 7. Embodiment of free-form surface optical system

回転光学系の先の実施形態では、アイピクセルの増大(magnification)の適合はラジアル方向の寸法に限定される。このセクションでは、我々は、アイピクセルのサイズを2次元で制御することができる自由曲面の光学系を開示する。 In earlier embodiments of the rotating optics, the adaptation of the eye pixel magnification is limited to the radial dimension. In this section, we disclose a free-form optic that can control the size of the eye pixel in two dimensions.

この課題を解決するため、我々は、非イメージング設計に応用され、またJuan C.Minano et al.の米国特許第8,419,232により広く記述されたエタンデュ・スキージング(etendue squeezing)に基づく新しい実施形態を提案する。図7Aは、眼球701と、一般にレンズ表面、両面レンズまたは他の任意の光学装置であり得る光学装置702および703が見られる実施形態の斜視図である。ディスプレイは図面の明確さのためにプロットされていないが、703で特定されたもののようなセクターもクラスターとして識別される。光学装置702および703は、一緒に作用する中央領域714および715を提示し、他方、両方の装置の残部の領域がセクターに分割される。703に属するセクターは、外部リング(輪帯)に沿って分布し、他方、702のセクターは2つの異なる外部リングに沿って分布する。702のセクターのサジタル方向の角度範囲は、703のセクターのサジタル方向の角度範囲の半分である。他方、702のセクターの接線方向(tangential direction)の角度範囲は、703のセクターの接線方向の角度範囲の2倍である。このようにして、セクターは、都合良く敷設(tessellate)され、デジタルディスクプレイ上のクラスターもそうである。
To solve this problem, we have developed a new approach based on etendue squeezing applied to non-imaging designs and more widely described in US Patent No. 8,419,232 to Juan C. Minano et al. An embodiment is proposed. FIG. 7A is a perspective view of an embodiment in which an eyeball 701 and optical devices 702 and 703, which can be generally a lens surface, a double-sided lens, or any other optical device, are seen. The display is not plotted for clarity of the drawing, but sectors such as those identified at 703 are also identified as clusters. Optical devices 702 and 703 present central regions 714 and 715 that work together, while the remaining regions of both devices are divided into sectors. The sectors belonging to 703 are distributed along the outer ring, while the sectors 702 are distributed along two different outer rings. The sagittal angular range of the 702 sector is half the sagittal angular range of the 703 sector. On the other hand, the angular range of the tangential direction of the sector 702 is twice the angular range of the tangential direction of the sector 703. In this way, sectors are conveniently tessellated, as are clusters on digital displays.

図7Bは、光学装置702と703の両方の正面図を示し、5つのセクターがどのようにペアにて作動するように配置されるかを説明するためにそれらがハイライトされる。このようにして、装置702のセクター704、705、706、707および708は、各々、装置703のセクター709、710、711、712および713と協働する。セクター704〜708は、目から重大なギャップが見られないことを保証するために敷設(tessellate)されなければならないが、マイクロレンズ709〜713は、ギャップを示すことができる(従って、図7Bの709〜713として示される領域は、セクターが占めることができる最大領域にすぎない)。 FIG. 7B shows a front view of both optical devices 702 and 703, which are highlighted to illustrate how the five sectors are arranged to operate in pairs. In this way, sectors 704, 705, 706, 707 and 708 of device 702 cooperate with sectors 709, 710, 711, 712 and 713 of device 703, respectively. Sectors 704-708 must be tessellated to ensure that no significant gaps are visible from the eye, while microlenses 709-713 can indicate gaps (thus, FIG. 7B). The areas shown as 709-713 are only the largest areas that a sector can occupy.)

図8は、光学装置702および703それぞれが厚レンズの個別の自由曲面として成る図7Aの実施形態の見込みの具体化の断面を示す。したがって、面702のセクター704、705、706、707および708は、各々、面703のセクター709、710、711、712および713と協働して、レンズレット(704−709、705−710など)を形成する。図8は、ディスプレイ801、目802、およびこの厚レンズの3つの小型レンズを示す(他の全ての周辺小型レンズは、回転によって、提示の3つの小型レンズの1つに重ね合わせることができる)。 FIG. 8 shows a cross-section of a possible implementation of the embodiment of FIG. 7A where each of the optical devices 702 and 703 is a separate free-form surface of a thick lens. Thus, sectors 704, 705, 706, 707 and 708 of surface 702 cooperate with sectors 709, 710, 711, 712 and 713 of surface 703, respectively, to form lenslets (704-709, 705-710, etc.). To form FIG. 8 shows a display 801, an eye 802, and three lenslets of this thick lens (all other peripheral lenslets can be superimposed on one of the three lenslets of the presentation by rotation). .

第1の中央小型レンズは、中心軸813に関して回転対称であり、その断面プロファイル811および812は、図7Aおよび7Bの中央領域714および715に対応する。第2の小型レンズは、平面に関して対称な自由形状の小型レンズであり、図7Aおよび7Bのセクター705および710に対応する。図8のライン809および808は、図8の軸813および図7Bのライン717を含むその対称面における断面プロファイルである。第3の小型レンズも自由曲面であり、別の平面に対して対称であり、図7Aおよび図7Bのセクター708および713に対応する。図8のライン806および807は、図8の軸813および図7Bのライン716を含むその対称面における断面プロファイルである。第2レンズと第3レンズのプロファイルは、同一平面上になく、この説明のみのために図8において一緒に描かれていることに留意されたい。これに加えて、光線軌跡が逆になり、この説明における光線が目からデジタル・ディスプレイに向けて伝播する。 The first central lenslet is rotationally symmetric about the central axis 813, and its cross-sectional profiles 811 and 812 correspond to the central regions 714 and 715 of FIGS. 7A and 7B. The second lenslet is a free-form lenslet that is symmetric with respect to the plane and corresponds to sectors 705 and 710 in FIGS. 7A and 7B. Lines 809 and 808 in FIG. 8 are cross-sectional profiles in the plane of symmetry including axis 813 in FIG. 8 and line 717 in FIG. 7B. The third lenslet is also free-form, symmetric about another plane, and corresponds to sectors 708 and 713 in FIGS. 7A and 7B. Lines 806 and 807 in FIG. 8 are the cross-sectional profiles in the plane of symmetry including axis 813 in FIG. 8 and line 716 in FIG. 7B. Note that the profiles of the second and third lenses are not coplanar and are drawn together in FIG. 8 for this description only. In addition, the ray trajectory is reversed, and the rays in this description propagate from the eye to the digital display.

逆光線810は、目からレンズの中央部分812、811を通り、ディスプレイ801の中心部分に入射する。他方、逆光線(reversed fans of rays)803および804は、レンズの周辺領域806−807および808−809を透過し、ディスプレイ805の外部領域(external region)に入射する。光線804(破線でプロットされている)は、破線の面808に入射し、次に破線の面809に入射し、ディスプレイに向けられる。他方、光線803(実線でプロットされている)は、面806に入射し、次に面807に入射し、ディスプレイに向けられる。一対の面808−809は、一対の面806−807よりも小さな周辺角度を有する逆光を集めることに留意されたい。   The back ray 810 passes through the central portions 812 and 811 of the lens from the eye and enters the central portion of the display 801. On the other hand, reversed fans of rays 803 and 804 pass through the peripheral areas 806-807 and 808-809 of the lens and enter the external area of the display 805. Ray 804 (plotted in dashed line) is incident on dashed surface 808 and then on dashed surface 809 and is directed to the display. On the other hand, ray 803 (plotted as a solid line) is incident on surface 806 and then incident on surface 807 and is directed to the display. Note that the pair of surfaces 808-809 collect backlight with a smaller peripheral angle than the pair of surfaces 806-807.

本明細書に記載されたクラスターおよび小型レンズの敷設(tessellation)は、回転ソリューションと比較してサジタル焦点距離を減少させ、仮想スクリーンの中心でより大きなラジアル焦点距離を達成する余地を与える。図9は、これを示しており、対称面に沿ったこの自由曲面の実施形態の写像関数901の概略的な曲線を示す。断面θ=0−25°は、回転対称小型レンズ714、715に対応する。θ=25°−37.5°の曲線901の部分は、図8に示した光線(ray-fan)804に対応し、デジタル・ディスプレイのエッジに到達する(16:9、5.7”の例では31.75mm)。θ=37.5°−50°のその曲線901の最後の部分は、図8に示した光線803に対応し(前述のように実際には804と同一平面上にない)、またデジタル・ディスプレイのエッジに到達する。比較のため、リニア写像関数902に対応する曲線と、セクション6の回転対称写像関数903も示される。上述のスキージング写像技術(squeezed mapping technique)を通じてサジタル方向においてアイピクセルのサイズを伸ばすことにより、仮想スクリーンの中心で大きい焦点距離(より大きい傾斜)が得られる(選択例では70.5mm)。スキージング写像は、その角度範囲において、回転適応設計のように、角度範囲θ=25°−50°で同じ傾斜を維持することを許容し、従って、ラジアル焦点距離が同一である(and hence the same radial focal length)。 The tessellation of clusters and lenslets described herein reduces sagittal focal length as compared to a rotating solution, leaving room for achieving a larger radial focal length at the center of the virtual screen. FIG. 9 illustrates this and shows a schematic curve of the mapping function 901 of this free-form embodiment along a plane of symmetry. The cross section θ = 0-25 ° corresponds to the rotationally symmetric small lenses 714, 715. The portion of the curve 901 at θ = 25 ° -37.5 ° corresponds to the ray-fan 804 shown in FIG. 8 and reaches the edge of the digital display (16: 9, 5.7 ″). The last part of the curve 901 at θ = 37.5 ° -50 ° corresponds to the ray 803 shown in FIG. 8 (actually on the same plane as 804 as described above). No) and also reaches the edge of the digital display. For comparison, the curve corresponding to the linear mapping function 902 and the rotationally symmetric mapping function 903 of section 6 are also shown.The squeezed mapping technique described above By increasing the size of the eye pixel in the sagittal direction through, a large focal length (larger tilt) is obtained at the center of the virtual screen (70.5 mm in the selected example). Allow the same tilt to be maintained in the angular range, as in a rotationally adaptive design, in the angular range θ = 25 ° -50 °, and therefore have the same radial focal length (and hence the same radial focal point). length).

図9から分かるように、曲線901は小型レンズ間の境界で不連続であることがあるが、不連続性がうまく設計されていれば、曲線自体がそうでなくとも曲線の勾配が連続的である。光線804と803との間の境界に対応する段差は、少なくとも理想的な場合、非連続であり、負の勾配のセグメントではないことを強調するために、図9に点線で示されている。そのアイデアからのいかなる逸脱、例えば、光線が望ましくない方向に散乱してイメージ品質を劣化させる可能性のある場所を表すため、小型レンズ間のカスプを丸めることは、最小限に維持されることが好ましい。 As can be seen from FIG. 9, the curve 901 may be discontinuous at the boundaries between lenslets, but if the discontinuity is well designed, the slope of the curve may be continuous even if the curve itself is not. is there. The step corresponding to the boundary between rays 804 and 803 is shown in dashed lines in FIG. 9 to emphasize that, at least in the ideal case, it is discontinuous and not a segment of negative slope. Any deviations from the idea, such as rounding the cusp between lenslets, to represent places where light rays can scatter in unwanted directions and degrade image quality can be kept to a minimum. preferable.

特定の実施形態が記述されたが、本発明を実施する現時点で想到されたモードの先行の記述は、限定する意味に取られず、本発明のある一般原理を記述する目的で単に為される。記述された特定の実施形態からのバリエーションが可能である。例えば、相互参照された上述の特許及び出願は、本出願の教示と有利に組み合わされ得るシステム及び方法を記述する。特定の実施形態が記述されたが、当業者は、どのように異なる実施形態の特徴が組み合わされるのか理解するだろう。 Although a particular embodiment has been described, the preceding description of the currently contemplated modes of implementing the invention is not to be taken in a limiting sense, but is merely made for the purpose of describing certain general principles of the invention. Variations from the particular embodiment described are possible. For example, the above-referenced patents and applications, which have been cross-referenced, describe systems and methods that may be advantageously combined with the teachings of the present application. Although particular embodiments have been described, those of skill in the art will understand how to combine the features of the different embodiments.

本発明の全範囲が、請求項の参照により決定され、また任意の2以上の請求項の特徴が組み合わされ得る。 The full scope of the invention is determined by reference to the claims, and features of any two or more claims may be combined.

Claims (21)

リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイ;及び
各小型レンズが前記ディスプレイから目位置に光を投射することにより、前記ディスプレイ上の個別の部分リアルイメージから仮想サブイメージを生成するように設けられた1以上の小型レンズを備える光学系を備え、
前記仮想サブイメージが結合して目位置から視認可能である仮想イメージを形成し、
前記光学系のラジアル及びサジタル焦点距離の両方は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの領域においてラジアル角の増加に応じて減少する、ディスプレイ装置。
Display is operable to generate a real image; by and each lenslet to project light to the eye position from the display, arranged to generate a virtual sub-image from the individual partial real image on the display An optical system comprising one or more lenslets,
The virtual sub-images combine to form a virtual image that is visible from the eye position;
The display device, wherein both the radial and sagittal focal lengths of the optical system decrease with increasing radial angle in a region of the virtual image having a radial angle greater than 20 degrees from the front.
前記光学系のラジアル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの実質的に全ての点でラジアル角の増加に応じて減少する、請求項1に記載のディスプレイ装置。 The radial focal length of the optical system, before decreases according to substantially increase the radial angle at all points of the virtual image having a radial angle of more than 20 ° from the direction, the display device according to claim 1. 前記光学系のサジタル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの実質的に全ての点でラジアル角の増加に応じて減少する、請求項に記載のディスプレイ装置。 The sagittal focal length of the optical system, before decreases according to substantially increase the radial angle at all points of the virtual image having a radial angle of more than 20 ° from the direction, the display device according to claim 1. 目がその瞳が瞳孔範囲内にある目位置にある時、前記仮想サブイメージの少なくとも一つが、目によりその目の1.5mmの中心窩(fovea)に投射される中心窩部を有する、前記仮想サブイメージを生成するように構成され、
前記仮想サブイメージの中心窩部が、前記仮想サブイメージの周辺部よりも高い解像度を有する、請求項1に記載のディスプレイ装置。
When the eye is the pupil in the eye position within the pupil range, the at least one virtual sub-image has a central fossae projected on the fovea (fovea) of 1.5mm of the eye by the eye, the Configured to generate a virtual sub-image,
Central fossae of each said virtual sub-image has a higher resolution than the peripheral portion of the virtual sub-image display apparatus according to claim 1.
目がその瞳が瞳孔範囲内にある目位置にある時に、目の網膜の1.5mmの中心窩(fovea)に目により投射される中心窩仮想サブイメージを少なくとも一つの小型レンズから生成し、また、中心窩(fovea)外の網膜の部分上に目により投射される周辺仮想サブイメージを少なくとも一つの他の小型レンズから生成するように構成され、中心窩部仮想イメージが、周辺部仮想イメージよりも高い解像度を有する、請求項1に記載のディスプレイ装置。   Generating, from the at least one lenslet, a foveal virtual subimage projected by the eye into a 1.5 mm fovea of the retina of the eye when the eye is at an eye position whose pupil is within the pupil area; Also configured to generate, from at least one other lenslet, a peripheral virtual sub-image projected by the eye on a portion of the retina outside the fovea, wherein the foveal virtual image is The display device according to claim 1, wherein the display device has a higher resolution. 前記光学系が、光学的に区別可能な第1サブエレメントの第1リングを有する第1光学素子と、光学的に区別可能な第2及び第3サブエレメントの第2及び第3リングを有する第2光学素子を備え、第1リングにおける第1セット第1サブエレメントが、第2リングにおける隣接した第2サブエレメント個別の小型レンズを形成し、第1リングの第2セット第1サブエレメントが、第3リングにおける隣接した第3サブエレメント個別の小型レンズを形成する、請求項1に記載のディスプレイ装置。 A first optical element having an optically distinguishable first ring of a first sub-element and a second optical element having optically distinguishable second and third rings of a second and third sub-element; comprising a second optical element, the first sub-element of the first set in the first ring, the second to form a sub-element and separate lenslet adjacent in the second ring, the first sub second set of the first ring element, a third sub-element and a separate small lens adjacent in the third ring, a display device according to claim 1. 前記第1及び第2光学素子が、厚レンズの反対面である、請求項に記載のディスプレイ装置。 The display apparatus according to claim 6 , wherein the first and second optical elements are opposite surfaces of a thick lens. 請求項1に記載のディスプレイ装置を備え、前記ディスプレイ装置の目位置がヒトの目に一致するようにヒトの頭部に前記ディスプレイ装置を位置付けるためのマウントを備えるヘッドギア。 A headgear comprising the display device according to claim 1, comprising a mount for positioning the display device on a human head such that an eye position of the display device coincides with a human eye. 第2ディスプレイ装置の目位置がヒトの第2の目に一致するように実装される第2ディスプレイ装置を備える、請求項に記載のヘッドギア。 9. The headgear of claim 8 , comprising a second display device implemented such that an eye position of the second display device matches a second eye of a human. 前記ディスプレイ装置と前記第2ディスプレイ装置が実質的に同一である、請求項に記載のヘッドギア。 The display device and the second display device are substantially identical, headgear according to claim 9. 前記ディスプレイ装置のディスプレイと前記第2ディスプレイ装置のディスプレイが単一のディスプレイの部分である、請求項に記載のヘッドギア。 The display of the display and the second display device of the display device is part of a single display, headgear according to claim 9. リアルイメージを生成するように動作可能であるディスプレイ;及び
各小型レンズが前記ディスプレイから目位置に光を投射することにより、前記ディスプレイ上の個別の部分リアルイメージから仮想サブイメージを生成するように設けられた1以上の小型レンズを備える光学系を備え、
前記仮想サブイメージが結合して目位置から視認可能である仮想イメージを形成し、
前記光学系は、目がその瞳が瞳孔範囲内にある目位置にある時、前記仮想サブイメージの少なくとも一つが、目によりその目の1.5mmの中心窩(fovea)に投射される中心窩部を有する、前記仮想サブイメージを生成するように構成され、前記仮想サブイメージの中心窩部が、前記仮想イメージの周辺部よりも高い解像度を有し、
前記光学系のサジタル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの領域においてラジアル角の増加に応じて減少する、ディスプレイ装置。
Display is operable to generate a real image; by and each lenslet to project light to the eye position from the display, arranged to generate a virtual sub-image from the individual partial real image on the display An optical system comprising one or more lenslets,
The virtual sub-images combine to form a virtual image that is visible from the eye position;
Wherein the optical system, when the eye is the pupil in the eye position within the pupil range, the at least one virtual sub-images, the fovea, which is projected to the eyes of 1.5mm fovea of the eye (fovea) having parts, said configured to generate a virtual sub-image, the central fossae of the virtual sub-images, have a resolution higher than the peripheral portion of the virtual image,
The display device, wherein a sagittal focal length of the optical system decreases with an increase in a radial angle in a region of the virtual image having a radial angle exceeding 20 ° from a forward direction .
前記光学系は、個別の光線が眼球に入射する点で眼球のラジアル方向に2.5°未満の周辺角度で目位置の眼球の瞳孔範囲のいずれかの部分に光線が入射することにより形成される中心窩部を有する前記仮想サブイメージを生成するように構成され、前記仮想サブイメージの中心窩部が、前記仮想サブイメージの周辺部よりも高い解像度を有する、請求項12に記載のデジタル・ディスプレイ装置。 The optical system is formed by light rays entering any part of the pupil range of the eye at the eye position at a peripheral angle of less than 2.5 ° in the radial direction of the eye at the point where the individual light is incident on the eye. is configured to generate the virtual sub-image having a center epigastric that, the central fossae of the virtual sub-image has a higher resolution than the peripheral portion of the virtual sub-image, digital according to claim 12 Display device. 前記光学系は、自由曲面の小型レンズの有効エリアに亘り変化する焦点距離を有する自由曲面の小型レンズを備えることにより前記仮想サブイメージを生成するように構成される、請求項12に記載のデジタル・ディスプレイ装置。 The optical system is configured to generate the virtual sub-image by providing a compact lens of a free curved surface having a focal length that varies across the effective area of the free-form surface lenslets, digital claim 12 -Display device. 前記光学系のラジアル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの領域においてラジアル角の増加に応じて減少する、請求項12に記載のデジタル・ディスプレイ装置。 The radial focal length of the optical system is reduced with the increase of the radial angle in the region of the virtual image having a radial angle of more than 20 ° from the forward direction, the digital display device according to claim 12. 前記光学系のラジアル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの実質的に全ての点でラジアル角の増加に応じて減少する、請求項15に記載のデジタル・ディスプレイ装置。 The radial focal length of the optical system is reduced in response to the substantial increase of the radial angle at all points of the virtual image from the front direction with a radial angle of more than 20 °, digital display of claim 15 apparatus. 前記光学系のサジタル焦点距離は、前方向から20°を超えるラジアル角を有する前記仮想イメージの実質的に全ての点でラジアル角の増加に応じて減少する、請求項12に記載のデジタル・ディスプレイ装置。 The sagittal focal length of the optical system is reduced in response to the substantial increase of the radial angle at all points of the virtual image from the front direction with a radial angle of more than 20 °, digital display of claim 12 apparatus. 請求項12に記載のディスプレイ装置を備え、前記ディスプレイ装置の目位置がヒトの目に一致するようにヒトの頭部に前記ディスプレイ装置を位置付けるためのマウントを備えるヘッドギア。 A headgear comprising the display device according to claim 12 , comprising a mount for positioning the display device on a human head such that an eye position of the display device matches a human eye. 第2ディスプレイ装置の目位置がヒトの第2の目に一致するように実装される第2ディスプレイ装置を更に備える、請求項18に記載のヘッドギア。 19. The headgear of claim 18 , further comprising a second display device implemented such that an eye position of the second display device matches a second eye of a human. 前記ディスプレイ装置と前記第2ディスプレイ装置が実質的に同一である、請求項19に記載のヘッドギア。 The display device and the second display device are substantially identical, headgear of claim 19. 前記ディスプレイ装置のディスプレイと前記第2ディスプレイ装置のディスプレイが単一のディスプレイの部分である、請求項19に記載のヘッドギア。 The display of the display and the second display device of the display device is part of a single display, headgear of claim 19.
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Families Citing this family (71)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160364426A1 (en) * 2015-06-11 2016-12-15 Sap Se Maintenance of tags assigned to artifacts
US10567745B2 (en) 2016-02-12 2020-02-18 The Void, LLC Head mount display with automatic inter-pupillary distance adjustment
US10422976B2 (en) 2016-02-26 2019-09-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Aberration corrected optical system for near-eye displays
US20170262020A1 (en) * 2016-03-10 2017-09-14 The Void Llc Head Mount Display with Near-Eye Projection for Virtual Reality System
JP6884797B2 (en) * 2016-03-31 2021-06-09 華為技術有限公司Huawei Technologies Co.,Ltd. Application program processing method and terminal device
GB2550137A (en) * 2016-05-09 2017-11-15 Euro Electronics (Uk) Ltd Method and apparatus for tiles light field display
GB2550885A (en) * 2016-05-26 2017-12-06 Euro Electronics (Uk) Ltd Method and apparatus for an enhanced-resolution light field display
US10664049B2 (en) 2016-12-09 2020-05-26 Nvidia Corporation Systems and methods for gaze tracking
US11042039B1 (en) * 2016-12-20 2021-06-22 Facebook Technologies, Llc Varifocal display with actuated reflectors
US10168668B2 (en) 2016-12-21 2019-01-01 Vladimir Yankov Method of forming a rarefied hologram for video imaging and 3D lithography
KR20180073166A (en) 2016-12-22 2018-07-02 엘지디스플레이 주식회사 Augmented reality device
US10345562B2 (en) * 2017-02-07 2019-07-09 Raytheon Company All-reflective solar coronagraph sensor and thermal control subsystem
KR102338472B1 (en) 2017-02-22 2021-12-14 루머스 리미티드 light guide optical assembly
DE102017104104A1 (en) * 2017-02-28 2018-08-30 Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh Optical element for a transmitting device of an optical detection device, transmitting device, optical detection device, motor vehicle and method
JP6866738B2 (en) * 2017-04-12 2021-04-28 オムロン株式会社 Image display unit
DE102017111607B4 (en) * 2017-05-29 2020-09-24 tooz technologies GmbH Imaging device, data glasses and method for generating an image from an initial image in data glasses
CN108983488B (en) * 2017-06-01 2021-04-20 台达电子工业股份有限公司 Backlight module and display device
WO2018237263A1 (en) * 2017-06-22 2018-12-27 Tesseland Llc Visual display with time multiplexing for stereoscopic view
GB2564850A (en) * 2017-07-18 2019-01-30 Euro Electronics Uk Ltd Apparatus and method of light field display
CN107490847B (en) * 2017-08-02 2023-02-28 滕少华 Rotary zoom lens system and implementation method thereof
CN107300777A (en) * 2017-08-18 2017-10-27 深圳惠牛科技有限公司 A kind of imaging system reflected based on double free form surfaces
DE102017125731A1 (en) * 2017-11-03 2019-05-09 Carl Zeiss Ag Optical fiber, imaging device and HMD with separate imaging channels
CN107861247B (en) * 2017-12-22 2020-08-25 联想(北京)有限公司 Optical component and augmented reality device
CN107966825B (en) * 2017-12-26 2023-12-19 广州弥德科技有限公司 Spliced directional backlight source and display system using same
CN108227195B (en) * 2017-12-29 2020-05-19 南京信息工程大学 Off-axis two-mirror free-form surface optical system
US10817052B1 (en) * 2018-01-09 2020-10-27 Facebook Technologies, Llc Eye emulator devices
CN208367337U (en) * 2018-01-16 2019-01-11 塔普翊海(上海)智能科技有限公司 A kind of AR display equipment
US20210055560A1 (en) * 2018-01-26 2021-02-25 Tesseland Llc Compact optics in crossed configuration for virtual and mixed reality
CN108333748B (en) * 2018-02-24 2021-01-26 京东方科技集团股份有限公司 Lens optimization method and device of virtual reality equipment
US10527863B2 (en) 2018-03-16 2020-01-07 Sharp Kabushiki Kaisha Compact head-mounted display system
US20210096380A1 (en) * 2018-03-22 2021-04-01 Lightspace Technologies, SIA Near-eye display apparatus and method of displaying three-dimensional images
US20190293950A1 (en) * 2018-03-22 2019-09-26 Lightspace Technologies, SIA Near-eye display apparatus and method of displaying three-dimensional images
CN108398788B (en) * 2018-03-23 2024-04-16 京东方科技集团股份有限公司 Eye tracking device and virtual reality imaging device
CN110770637B (en) * 2018-04-23 2022-11-22 索尼公司 Vision optical system, medical viewer, and medical viewer system
US11454783B2 (en) * 2018-04-25 2022-09-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Tiled triplet lenses providing a wide field of view
CN112189161B (en) 2018-04-27 2022-09-13 特塞兰德有限责任公司 Light field display adapting to human vision
US10497320B1 (en) * 2018-05-07 2019-12-03 Facebook Technologies, Llc Transparent and reflective illumination source
US10830938B2 (en) 2018-05-14 2020-11-10 Lumus Ltd. Projector configuration with subdivided optical aperture for near-eye displays, and corresponding optical systems
EP3794397A4 (en) * 2018-05-17 2021-07-07 Lumus Ltd. Near-eye display having overlapping projector assemblies
US11415812B2 (en) 2018-06-26 2022-08-16 Lumus Ltd. Compact collimating optical device and system
KR102634595B1 (en) * 2018-07-18 2024-02-07 삼성디스플레이 주식회사 Device for providing augmented reality and manufacturing the same
US20200033613A1 (en) * 2018-07-26 2020-01-30 Varjo Technologies Oy Display apparatus and method of displaying using curved optical combiner
CN112752992B (en) 2018-09-28 2023-10-31 苹果公司 Mixed reality or virtual reality camera system
US11187914B2 (en) * 2018-09-28 2021-11-30 Apple Inc. Mirror-based scene cameras
JP7001042B2 (en) * 2018-11-08 2022-01-19 日本電信電話株式会社 Eye information estimation device, eye information estimation method, program
CN109375381B (en) * 2018-11-27 2021-09-07 浙江理工大学 Three-dimensional display method and system with high information flux and low crosstalk
US10866412B2 (en) 2018-12-07 2020-12-15 Sharp Kabushiki Kaisha Compact head-mounted display system
CN109752852B (en) * 2018-12-12 2021-04-13 重庆爱奇艺智能科技有限公司 Display system for head-mounted equipment and design method thereof
TWI683136B (en) * 2019-01-03 2020-01-21 宏碁股份有限公司 Video see-through head mounted display and control method thereof
US11237389B1 (en) * 2019-02-11 2022-02-01 Facebook Technologies, Llc Wedge combiner for eye-tracking
US10867538B1 (en) * 2019-03-05 2020-12-15 Facebook Technologies, Llc Systems and methods for transferring an image to an array of emissive sub pixels
US11340459B2 (en) * 2019-03-07 2022-05-24 Rockwell Collins, Inc. Steerable reticle for visor projected helmet mounted displays
US11849262B2 (en) 2019-03-12 2023-12-19 Lumus Ltd. Image projector
CN111999889A (en) * 2019-05-11 2020-11-27 京东方科技集团股份有限公司 Curved lens and display device
BR112021022229A2 (en) 2019-06-27 2022-02-22 Lumus Ltd Device
US11281005B2 (en) 2019-08-08 2022-03-22 Sharp Kabushiki Kaisha Compact head-mounted display system with orthogonal panels
CN116506715A (en) * 2019-09-27 2023-07-28 苹果公司 Method and apparatus for operating a lenticular display
US20230221556A1 (en) * 2019-12-05 2023-07-13 Tesseland, Llc Lenslet based ultra-high resolution optics for virtual and mixed reality
WO2021141420A1 (en) * 2020-01-08 2021-07-15 주식회사 레티널 Augmented reality optical device using total reflection
KR20230029791A (en) * 2020-07-16 2023-03-03 루소스페이스 프로젝토스 엔제냐리아 엘디에이 Head-mounted display device
US11493772B1 (en) 2020-07-22 2022-11-08 Meta Platforms Technologies, Llc Peripheral light field display
US20230386373A1 (en) 2020-10-13 2023-11-30 Tesseland Llc Display device with dark ring illumination of lenslet arrays for vr and ar
US11947134B2 (en) * 2021-01-22 2024-04-02 National Taiwan University Device of generating 3D light-field image
KR20220113558A (en) * 2021-02-05 2022-08-16 삼성디스플레이 주식회사 Display apparatus, head mounted display system having the same and method of driving the display apparatus
KR20220136561A (en) * 2021-03-31 2022-10-11 삼성디스플레이 주식회사 Display device, and control method of display device
WO2022272148A1 (en) * 2021-06-24 2022-12-29 Meta Platforms Technologies, Llc Free-form light field displays for vr/ar headsets
US20220413297A1 (en) 2021-06-24 2022-12-29 Meta Platforms Technologies, Llc Free-form light field displays for vr/ar headsets
US11789264B2 (en) 2021-07-04 2023-10-17 Lumus Ltd. Display with stacked light-guide elements providing different parts of field of view
JP2023043250A (en) * 2021-09-16 2023-03-29 株式会社リコー Propagation optical system, virtual image display device and head-mounted display
CN116413911A (en) * 2021-12-31 2023-07-11 北京耐德佳显示技术有限公司 Ultra-thin lens, virtual image imaging device using same and near-eye display
KR20230174355A (en) * 2022-06-20 2023-12-28 삼성디스플레이 주식회사 Display device, head mount display device and method of controlling the same

Family Cites Families (84)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3578764D1 (en) * 1985-01-24 1990-08-23 Cerberus Ag INFRARED BURGLAR DETECTOR.
JPH0584930U (en) * 1992-04-23 1993-11-16 神鋼電機株式会社 Display element and display device using the same
JPH0638219A (en) 1992-07-20 1994-02-10 Olympus Optical Co Ltd Video display device
US5326266A (en) * 1992-09-02 1994-07-05 Evans & Sutherland Computer Corporation Area of interest display system with opto/mechanical image combining
JPH08160344A (en) * 1994-12-05 1996-06-21 Olympus Optical Co Ltd Head mounted video display device
JP3658034B2 (en) 1995-02-28 2005-06-08 キヤノン株式会社 Image observation optical system and imaging optical system
JP3599828B2 (en) 1995-05-18 2004-12-08 オリンパス株式会社 Optical device
JPH0965245A (en) * 1995-08-21 1997-03-07 Olympus Optical Co Ltd Image display device
JP3371654B2 (en) 1995-10-30 2003-01-27 ソニー株式会社 Projection display device
JPH09219832A (en) * 1996-02-13 1997-08-19 Olympus Optical Co Ltd Image display
US5838490A (en) 1996-11-04 1998-11-17 Honeywell Inc. Head mounted display system using mangin mirror combiner
JP3943680B2 (en) 1997-01-06 2007-07-11 オリンパス株式会社 Video display device
US20040108971A1 (en) * 1998-04-09 2004-06-10 Digilens, Inc. Method of and apparatus for viewing an image
DE60041287D1 (en) * 1999-04-02 2009-02-12 Olympus Corp Optical display and image display with this device
DE60029625T2 (en) * 1999-12-23 2007-07-12 Shevlin Technologies Ltd. INDICATOR
JP4573393B2 (en) * 2000-01-06 2010-11-04 オリンパス株式会社 Image display device
JP2002040364A (en) 2000-07-21 2002-02-06 Asahi Optical Co Ltd Optical system for stereoscopic vision observation
KR100388819B1 (en) * 2000-07-31 2003-06-25 주식회사 대양이앤씨 Optical System for Head Mount Display
US6543899B2 (en) * 2000-12-05 2003-04-08 Eastman Kodak Company Auto-stereoscopic viewing system using mounted projection
DE10103922A1 (en) * 2001-01-30 2002-08-01 Physoptics Opto Electronic Gmb Interactive data viewing and operating system
US6522474B2 (en) * 2001-06-11 2003-02-18 Eastman Kodak Company Head-mounted optical apparatus for stereoscopic display
US7053967B2 (en) 2002-05-23 2006-05-30 Planar Systems, Inc. Light sensitive display
JP3994896B2 (en) * 2002-09-25 2007-10-24 コニカミノルタホールディングス株式会社 Video display device
US6896381B2 (en) * 2002-10-11 2005-05-24 Light Prescriptions Innovators, Llc Compact folded-optics illumination lens
JP2004258332A (en) * 2003-02-26 2004-09-16 Canon Inc Head mounted image display device
JP2004317798A (en) * 2003-04-16 2004-11-11 Canon Inc Image display device
US7495638B2 (en) 2003-05-13 2009-02-24 Research Triangle Institute Visual display with increased field of view
ITTO20030734A1 (en) * 2003-09-24 2005-03-25 Fiat Ricerche MULTIFOCAL LIGHT CONCENTRATOR FOR A DEVICE FOR RADIATION CONVERSION, AND IN PARTICULAR FOR THE CONVERSION OF SOLAR RADIATION IN ELECTRICAL, THERMAL OR CHEMICAL ENERGY.
CN1894975A (en) * 2003-12-12 2007-01-10 海德佩公司 Multiple imaging arrangement for head-wearing type display device
JP2006329747A (en) * 2005-05-25 2006-12-07 Tokyo Institute Of Technology Imaging device
KR101170120B1 (en) 2005-07-27 2012-07-31 삼성전자주식회사 Stereoscopic display apparatus
CN101278565A (en) * 2005-08-08 2008-10-01 康涅狄格大学 Depth and lateral size control of three-dimensional images in projection integral imaging
KR100716829B1 (en) * 2005-08-10 2007-05-09 삼성전기주식회사 Mobile camera optical system and method for producing image thereof
US7486341B2 (en) 2005-11-03 2009-02-03 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Head mounted display with eye accommodation having 3-D image producing system consisting of, for each eye, one single planar display screen, one single planar tunable focus LC micro-lens array, one single planar black mask and bias lens
US7515345B2 (en) * 2006-10-09 2009-04-07 Drs Sensors & Targeting Systems, Inc. Compact objective lens assembly
JP2008165063A (en) 2006-12-28 2008-07-17 Scalar Corp Head mounted display
US8605008B1 (en) 2007-05-04 2013-12-10 Apple Inc. Head-mounted display
JP5031452B2 (en) * 2007-06-20 2012-09-19 キヤノン株式会社 Image observation apparatus and image observation system
JP4906680B2 (en) * 2007-11-02 2012-03-28 キヤノン株式会社 Image display device
KR101419230B1 (en) * 2007-11-29 2014-07-16 엘지디스플레이 주식회사 Stereoscopic Display device
EP2225601A1 (en) * 2007-12-18 2010-09-08 BAE Systems PLC Improvements in or relating to projection displays
US8314814B2 (en) * 2007-12-20 2012-11-20 Raytheon Company Imaging system
US20100149073A1 (en) * 2008-11-02 2010-06-17 David Chaum Near to Eye Display System and Appliance
US20090295683A1 (en) * 2008-05-27 2009-12-03 Randall Pugh Head mounted display with variable focal length lens
CN201242611Y (en) * 2008-08-12 2009-05-20 贾怀昌 Free curved surface perfect reflection type unaided eye optical prism
CN101359089B (en) * 2008-10-08 2010-08-11 北京理工大学 Optical system of light and small-sized big angular field free curved surface prism helmet display
JP5335375B2 (en) * 2008-10-31 2013-11-06 キヤノン株式会社 Image display device
WO2010061835A1 (en) 2008-11-26 2010-06-03 コニカミノルタオプト株式会社 Image display device and head-mounted display
JP4863527B2 (en) * 2009-12-01 2012-01-25 稔 稲葉 Stereoscopic imaging device
WO2010123934A1 (en) * 2009-04-20 2010-10-28 The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Optical see-through free-form head-mounted display
JP2011145488A (en) * 2010-01-14 2011-07-28 Sony Corp Head mount display
CN102782562B (en) * 2010-04-30 2015-07-22 北京理工大学 Wide angle and high resolution tiled head-mounted display device
CN101887166B (en) * 2010-07-15 2012-07-11 深圳航天科技创新研究院 Ocular
CN101915992B (en) * 2010-07-23 2012-05-16 浙江大学 Free-form surface goggles-based see-through helmet mounted display device
US8717562B2 (en) * 2010-08-23 2014-05-06 Scattering Solutions, Inc. Dynamic and depolarized dynamic light scattering colloid analyzer
KR101728821B1 (en) * 2010-09-28 2017-05-04 삼성디스플레이 주식회사 Three dimensional image display
US8781794B2 (en) * 2010-10-21 2014-07-15 Lockheed Martin Corporation Methods and systems for creating free space reflective optical surfaces
US8625200B2 (en) * 2010-10-21 2014-01-07 Lockheed Martin Corporation Head-mounted display apparatus employing one or more reflective optical surfaces
JP5953311B2 (en) 2010-11-08 2016-07-20 シーリアル テクノロジーズ ソシエテ アノニムSeereal Technologies S.A. Display device
CA2821401C (en) * 2010-12-16 2019-04-30 Lockheed Martin Corporation Collimating display with pixel lenses
JP6185844B2 (en) * 2010-12-24 2017-08-30 マジック リープ, インコーポレイテッド Ergonomic head-mounted display device and optical system
TWI432013B (en) * 2011-06-30 2014-03-21 Acer Inc 3d image display method and image timing control unit
JP2013044896A (en) * 2011-08-23 2013-03-04 Brother Ind Ltd Head-mounted display
JP5875295B2 (en) * 2011-08-30 2016-03-02 キヤノン株式会社 Image display device
US8929589B2 (en) * 2011-11-07 2015-01-06 Eyefluence, Inc. Systems and methods for high-resolution gaze tracking
CN102402005B (en) * 2011-12-06 2015-11-25 北京理工大学 Bifocal-surface monocular stereo helmet-mounted display device with free-form surfaces
US8384999B1 (en) * 2012-01-09 2013-02-26 Cerr Limited Optical modules
EP3761072A1 (en) * 2012-01-24 2021-01-06 Augmented Vision Inc. Compact eye-tracked head-mounted display
JP6028357B2 (en) * 2012-03-22 2016-11-16 ソニー株式会社 Head mounted display and surgical system
DE102012205164B4 (en) * 2012-03-29 2021-09-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Projection display and method for projecting virtual images
US10147232B2 (en) * 2012-08-30 2018-12-04 Atheer, Inc. Method and apparatus for selectively presenting content
CN103207454B (en) * 2012-09-17 2016-09-07 北京理工大学 There is the double-view field free curved surface prism helmet display optical system at extension edge
CN103841395B (en) * 2012-11-27 2016-10-05 联想(北京)有限公司 Composograph display packing and equipment
US10192358B2 (en) * 2012-12-20 2019-01-29 Microsoft Technology Licensing, Llc Auto-stereoscopic augmented reality display
KR101294261B1 (en) * 2013-01-08 2013-08-06 동서대학교산학협력단 Three dimensional interal imagine display-using mask and time-multiplexing
US10209517B2 (en) * 2013-05-20 2019-02-19 Digilens, Inc. Holographic waveguide eye tracker
CN203519925U (en) * 2013-06-29 2014-04-02 歌尔声学股份有限公司 Head-mounted display
TWI470267B (en) * 2013-10-14 2015-01-21 Largan Precision Co Ltd Optical image capturing system, image capturing device and mobile terminal
DK3075150T3 (en) * 2013-11-25 2022-09-12 Tesseland Llc Immersive compact display glasses
WO2015088468A1 (en) 2013-12-09 2015-06-18 Moskalenko Mykhailo Device for representation of visual information
US9753288B2 (en) * 2014-01-21 2017-09-05 Osterhout Group, Inc. See-through computer display systems
US10203762B2 (en) * 2014-03-11 2019-02-12 Magic Leap, Inc. Methods and systems for creating virtual and augmented reality
WO2015162098A1 (en) * 2014-04-24 2015-10-29 Carl Zeiss Meditec, Inc. Functional vision testing using light field displays
US9759919B2 (en) * 2015-01-05 2017-09-12 Microsoft Technology Licensing, Llc Virtual image display with curved light path

Also Published As

Publication number Publication date
US20180003862A1 (en) 2018-01-04
CN107430285B (en) 2020-07-17
EP3248052A4 (en) 2018-10-24
CN107407816B (en) 2020-06-12
WO2016160099A3 (en) 2016-11-24
CN107407817B (en) 2020-09-08
JP6782703B2 (en) 2020-11-11
KR20170104604A (en) 2017-09-15
JP2018510372A (en) 2018-04-12
US10690813B2 (en) 2020-06-23
EP3248052A1 (en) 2017-11-29
US10459126B2 (en) 2019-10-29
JP2018504637A (en) 2018-02-15
WO2016118643A1 (en) 2016-07-28
CN107430277A (en) 2017-12-01
WO2016118640A1 (en) 2016-07-28
CN107430285A (en) 2017-12-01
JP6821574B2 (en) 2021-01-27
US20180003999A1 (en) 2018-01-04
CN107407817A (en) 2017-11-28
WO2016160099A2 (en) 2016-10-06
WO2016118647A1 (en) 2016-07-28
EP3248053A4 (en) 2018-10-24
EP3248053B1 (en) 2020-05-20
US10436951B2 (en) 2019-10-08
US20180004000A1 (en) 2018-01-04
EP3248052B1 (en) 2020-07-22
US20180003978A1 (en) 2018-01-04
KR20170104603A (en) 2017-09-15
EP3248049A4 (en) 2018-10-31
CN107430277B (en) 2020-09-15
EP3248049B1 (en) 2020-10-21
KR102627249B1 (en) 2024-01-18
KR102549398B1 (en) 2023-06-29
US20180003963A1 (en) 2018-01-04
EP3248049A1 (en) 2017-11-29
WO2016118648A1 (en) 2016-07-28
EP3248053A1 (en) 2017-11-29
KR20170105095A (en) 2017-09-18
EP3248052B8 (en) 2020-09-09
KR102549397B1 (en) 2023-06-28
US10782453B2 (en) 2020-09-22
US10663626B2 (en) 2020-05-26
CN107407816A (en) 2017-11-28
EP3248049B8 (en) 2020-12-30
JP2018509646A (en) 2018-04-05

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JP6670840B2 (en) Imaging optics adapted to the resolution of the human eye
JP6539672B2 (en) Immersive compact display glass
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TWI553344B (en) Head-mounted display apparatus employing one or more fresnel lenses
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